螺旋桨及旋翼飞行器

技术领域

本公开涉及飞行器技术领域，具体地，涉及一种螺旋桨及旋翼飞行器。

背景技术

多旋翼飞行器广泛应用于测绘、安防、物流和配送等多个领域。其中，如何提高气动效率和减小噪声是困扰旋翼飞行器设计的重要的问题。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。而噪声过大则会极大的影响用户的使用体验，尤其是对于物流配送等应用于人口较为密集的区域时，其产生的噪音会对居民的日常生活产生较大的干扰，影响用户体验。

发明内容

本公开的第一个目的是提供一种螺旋桨，能够提高旋翼飞行器的气动效率，同时降低噪音水平。

为了实现上述目的，本公开提供一种螺旋桨，包括多个在旋转中心处连接的桨叶，在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的35.7%处，所述桨叶的安装角为24°±1.5°；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的59.5%处，所述桨叶的安装角为16°±1.5°；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的83.3%处，所述桨叶的安装角为12°±1.5°。

可选地，在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的23.8%处，所述桨叶的安装角为21°±1.5°；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的47.6%处，所述桨叶的安装角为20°±1.5°；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的71.4%处，所述桨叶的安装角为14°±1.5°；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的95.2%处，所述桨叶的安装角为5°±1.5°。

可选地，在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的35.7%处，所述桨叶的相对弦长为0.19±0.02；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的59.5%处，所述桨叶的相对弦长为0.13±0.02；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的83.3%处，所述桨叶的相对弦长为0.09±0.02，其中，所述桨叶的相对弦长为桨叶的当地弦长与桨叶半径的比值。

可选地，在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的23.8%处，所述桨叶的相对弦长为0.17±0.02；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的47.6%处，所述桨叶的相对弦长为0.16±0.02；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的71.4%处，所述桨叶的相对弦长为0.11±0.02；在距离旋转中心为所述螺旋桨的半径的95.2%处，所述桨叶的相对弦长为0.07±0.02。

可选地，所述桨叶具有前缘和后缘且沿展向由内向外形成有主桨和桨尖，在所述桨尖处，所述前缘和所述后缘后掠。

可选地，所述桨尖的安装角小于所述主桨的根部的安装角，从所述主桨的至少末段部分至所述桨尖，所述桨叶呈负扭转分布，且在所述桨尖处的安装角变化率大于所述主桨处的安装角变化率。

可选地，所述桨尖的相对弦长沿展向逐渐减小，且所述桨尖的相对弦长小于所述主桨的相对弦长。

可选地，所述桨叶为结构相同的三个。

可选地，三个所述桨叶一体成型，且沿周向等间隔布置。

本公开的第二个目的是提供一种旋翼飞行器，包括上述任意一项的螺旋桨。

本公开提供的螺旋桨，包括多个在旋转中心处连接的桨叶，在距离旋转中心为螺旋桨的半径的35.7%处，桨叶的安装角为24°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的59.5%处，桨叶的安装角为16°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的83.3%处，桨叶的安装角为12°±1.5°。通过上述技术方案得到的螺旋桨，能够提高旋翼飞行器的航时、航程能力，进而提升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桨叶的示意图；

图2是本公开示例性实施方式提供的螺旋桨的示意图；

图3是本公开示例性实施方式提供的针对扭转角的说明；

图4至图10是图2中螺旋桨在距离旋转中心为不同半径处的剖面图。

附图标记说明

1-桨叶，11-主桨，12-桨尖，121-后掠部，13-后缘，14-前缘，15-弦线，100-螺旋桨。

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。

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。

首先需要说明的是，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，翼型是指桨叶在展向上任意位置的二维剖面。以图1中的桨叶1为例，将旋转中心设定为原点建立坐标系，则主桨11的根部到桨尖12的延伸方向定义为展向（图1中从左向右方向），对应地，垂直于展向的方向即为弦向。其中，C为翼型的当地弦长，即站位截面翼型前缘14到后缘13的距离；R为桨叶半径，即，旋转中心到桨尖12末端的展向距离；将当地弦长C除以桨叶半径R，即C/R称为桨叶的相对弦长，为无量纲参数；r为任一截面翼型到旋转中心的展向距离，这一距离r除以桨叶半径R，即r/R称为展向相对位置，为无量纲参数。本公开的这种限定桨叶轮廓所采用的无量纲坐参数，意味着当等比例的放大或缩小时，均不会改变桨叶1的形状。

如图1至图10所示，本公开提供了一种螺旋桨100，包括多个在旋转中心处连接的桨叶1。在距离旋转中心为螺旋桨的半径的35.7%处（即r/R=35.7%），桨叶的安装角为24°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的59.5%处，桨叶的安装角为16°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的83.3%处，桨叶的安装角为12°±1.5°。参考图3，扭转角α是指站位截面翼型的弦线15和旋转水平面之间的夹角。通过上述技术方案得到的螺旋桨，能够提高旋翼飞行器的航时、航程能力，进而提高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。

对桨叶1进一步地优化，在距离旋转中心为螺旋桨的半径的23.8%处，桨叶的安装角为21°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的47.6%处，桨叶的安装角为20°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的71.4%处，桨叶的安装角为14°±1.5°；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的95.2%处，桨叶的安装角为5°±1.5°。

继续参考图1至图10，根据本公开的一种实施方式，可以通过对桨叶1的弦长和安装角在展向分布的协同优化，以期得到更优的气动性能和降噪效果。具体的，在距离旋转中心为螺旋桨的半径的35.7%处，桨叶的相对弦长（即C/R）为0.19±0.02；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的59.5%处，桨叶的相对弦长为0.13±0.02；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的83.3%处，桨叶的相对弦长为0.09±0.02。

对桨叶1进一步优化，在距离旋转中心为螺旋桨的半径的23.8%处，桨叶的相对弦长为0.17±0.02；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的47.6%处，桨叶的相对弦长为0.16±0.02；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的71.4%处，桨叶的相对弦长为0.11±0.02；在距离旋转中心为螺旋桨的半径的95.2%处，桨叶的相对弦长为0.07±0.02。

为方便描述且更好地体现本公开的桨叶1的结构，这里将桨叶1沿展向由内向外定义为主桨11和桨尖12，根据本公开的一种实施方式，如图1至图3所示，桨叶1在桨尖12处，前缘14和后缘13后掠，即在桨尖12处形成后掠部121。后掠部121的存在可以切断桨叶1旋转时空气在桨叶1上的展向流动，从而减少桨尖12所形成的涡流，并降低桨尖12涡流的强度，此外后掠部121还能够削弱桨叶1附近气压变化的程度，减弱具有一定厚度的桨叶1周期性切割气流的程度，最终降低桨叶1旋转时产生的旋转噪声。这里需要说明的是，前缘14和后缘13的均形成为后掠的形状，但是二者的后掠程度可以不同。需要说明的是，这里的前缘14和后缘13按照本领域的普通技术认知进行解释。

桨叶1整体上可以形成为负扭转构造，这里的负扭转是指，桨尖12的安装角小于主桨11的根部的安装角。从主桨11的至少末段部分（与根部相对的一端）至桨尖12，桨叶1呈负扭转分布，即从前述的末段部分至桨尖12的尖端，安装角连续变小。采用负扭转分布的设计可以使得在飞行的过程中，桨叶1的诱导速度分布更均匀，以获得更好的气动性能和降噪效果。此外，在该安装角连续变化的部分，桨尖12处的安装角变化斜率大于主桨11处的安装角变化斜率，即在桨尖12处形成“加速负扭转”。此外，桨尖12的相对弦长（C/R）沿展向逐渐减小，且桨尖12的相对弦长小于主桨11的相对弦长。这种对桨尖12的优化设计能够减弱桨尖涡，降低桨涡的干扰，从而实现降低螺旋桨噪声的目的。桨尖12的相对弦长的变化率大于主桨的靠近桨尖的部分，换句话说，桨尖12采用削尖设计。

下面示例性地给出一种根据上述设计参数设计的桨叶1，其中桨叶半径R为210㎜。同时可参考图4至图10。

表1：桨叶各截面弦长和安装角的设计参数

多个桨叶1在旋转中心处连接，并相对于旋转中心沿周向等间隔设置，一体形成为螺旋桨100。多个桨叶1可以一体成型，从而能够保证螺旋桨100的整体的结构强度，或者螺旋桨100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，此时桨叶1的旋转中心即为桨毂所在的轴线。图2示出为具有三个桨叶1的螺旋桨的实施方式，三叶桨能够降低设计拉力对应的转速，从而有效降低噪声。

以下将通过本公开的具有三桨叶的螺旋桨100以及现有技术中提供的螺旋桨（两桨叶、大弦长、小安装角）的气动力学比较实验，进一步说明本公开的螺旋桨100在提升旋翼飞行器在气动效率和降低噪声方面的有益效果。

表2：实测噪声对比

其中，测点距离是指旋翼飞行器距离噪声计的距离。由表2可知，在不同的测试距离下，具有本申请螺旋桨100的旋翼飞行器相较于具有现有设计螺旋桨的旋翼飞行器均具有较低的噪声。

表3：航时和航程对比

由表3可知，具有本申请螺旋桨的旋翼飞行器相较于具有现有设计螺旋桨的旋翼飞行器无论在航时还是航程上均具有较大提升，进一步验证了本申请螺旋桨改善气动性能的作用。

基于上述理论分析和试验验证，本公开的旋翼飞行器，尤其是在低雷诺数流动下（10000~400000），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。

本公开的第二个目的是提供一种旋翼飞行器，该旋翼飞行器包括上述任意一项的螺旋桨100，并具有其所有的有益效果，此处不再赘述。

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。