具有仿生波状前缘的倾转旋翼及倾转旋翼机的制作方法

[0001]
本公开涉及倾转旋翼领域，尤其涉及一种具有仿生波状前缘的倾转旋翼及倾转旋翼机。


背景技术：

[0002]
倾转旋翼机是一种集固定翼飞机与直升机两种飞行器优点于一身的飞行器，其两种典型的工作模式为：悬停/垂直起降模式与巡航模式。在悬停/垂直起降模式下，倾转旋翼桨盘平行于地面，提供拉力用来克服机身的重力，借以实现垂直起降与悬停；在巡航模式下，桨盘垂直于地面，主要提供拉力用以克服机身气动阻力，实现高速巡航。因此倾转旋翼机既摆脱了固定翼飞机对跑道的依赖，同时也解决了直升机不能高速巡航的问题。
[0003]
为了满足倾转旋翼机悬停/垂直起降模式所需极大拉力的同时，又能实现巡航模式下高效率的需求，倾转旋翼的设计依然面临着重大的挑战。设计的主要矛盾在于：悬停/垂直起降模式下，桨叶需要大的桨盘面积、低的桨叶扭转和高的桨尖速度；而在巡航模式下则要小的桨盘面积、高的桨叶扭转和低的桨尖速度。事实上，为了保证倾转旋翼在巡航模式下的效率，悬停/垂直起降模式下往往会出现流动分离严重、拉力不足等严峻的问题。
[0004]
目前，传统的倾转旋翼通常是基于动量-叶素理论、涡流理论、自由尾迹模型等理论进行折中设计，或者通过大量的cfd计算优化后所得到的。常见的方法是：引入一个同时评估在悬停/垂直起降模式和巡航模式下倾转旋翼性能的综合评定指标，并通过cfd与优化算法结合的方法使得综合评定指标达到最优值，即损失巡航状态的部分效率，来满足其在悬停/垂直起降模式下的拉力需求。然而，这种通过折中设计或者cfd综合寻优后的倾转旋翼并不能真正够解决气动性能瓶颈，所采用的设计思想依然是在两种飞行模式之间寻找一种平衡，而在两种飞行模式之下依然不能实现最佳的性能。并且，通过cfd寻优方法进行倾转旋翼的设计往往需要耗费大量计算资源，增加设计成本。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种具有仿生波状前缘的倾转旋翼及倾转旋翼机，既保证倾转旋翼在巡航模式下的效率，又能实现倾转旋翼在悬停/垂直起降模式下拉力的提升。
[0006]
本公开的第一方面，具有仿生波状前缘的倾转旋翼，包括倾转旋翼桨叶，所述倾转旋翼桨叶的桨叶前缘由仿生波状前缘和非仿生波状前缘组成，所述仿生波状前缘位于展向60％～100％桨叶高度范围内。
[0007]
可选的，所述仿生波状前缘位于展向60％～85％桨叶高度范围内。
[0008]
可选的，展向60％～85％桨叶高度范围内的所述桨叶前缘均为所述仿生波状前缘。
[0009]
可选的，所述仿生波状前缘位于展向60％～80％桨叶高度范围内，且展向60％～80％桨叶高度范围内的所述桨叶前缘均为所述仿生波状前缘。
[0010]
可选的，所述仿生波状前缘位于展向70％～75％桨叶高度范围内。
[0011]
可选的，展向70％～75％桨叶高度范围内的所述桨叶前缘均为所述仿生波状前缘。
[0012]
可选的，所述仿生波状前缘的振幅为当地叶素弦长的5％～15％。
[0013]
可选的，所述仿生波状前缘的振幅为当地叶素弦长的10％。
[0014]
可选的，所述仿生波状前缘的波长为所述仿生前缘所在桨叶高度范围内的叶素弦长平均值的二分之一。
[0015]
本公开的第二方面，倾转旋翼机，包括如本公开第一方面任一所述的具有仿生波状前缘的倾转旋翼。
[0016]
实施本公开的有益效果：倾转旋翼机包括悬停/垂起状态和巡航状态两种状态，本申请的技术方案针对倾转旋翼机存在着两种状态的特殊性，通过在倾转旋翼上设置仿生波状前缘，控制桨叶在悬停/垂起状态的大流动分离，既保证旋翼在巡航模式下的效率又能实现悬停/垂直起降模式下拉力的提升，克服倾转旋翼无法兼顾巡航模式的效率和悬停/垂直起降模式的拉力的问题。
附图说明
[0017]
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
[0018]
图1为本公开实施例中的一种具有仿生波状前缘的倾转旋翼的结构示意图；
[0019]
图2为本公开实施例中的原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在巡航工况下的拉力对比图；
[0020]
图3为本公开实施例中的原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在巡航工况下的扭矩对比图；
[0021]
图4为本公开实施例中的前飞工况下原始倾转旋翼表面摩擦力线及静压分布图；
[0022]
图5为本公开实施例中的前飞工况下具有仿生波状前缘的倾转旋翼表面摩擦力线及静压分布图；
[0023]
图6为本公开实施例中的原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的典型桨距工况下的拉力对比图；
[0024]
图7为本公开实施例中的原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在典型桨距工况下下的扭矩对比图；
[0025]
图8为本公开实施例中的垂起工况下原始倾转旋翼的表面摩擦力线及静压分布图；
[0026]
图9为为本公开实施例中的垂起工况下具有仿生波状前缘的倾转旋翼的表面摩擦力线及静压分布图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为
了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
[0028]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
[0029]
参见图1，具有仿生波状前缘的倾转旋翼,包括倾转旋翼桨叶1，所述倾转旋翼桨叶1的桨叶前缘由仿生波状前缘2和非仿生波状前缘3组成。
[0030]
倾转旋翼机既包括悬停/垂起状态又包括巡航状态，本实施方式中的技术方案针对倾转旋翼机存在两种状态的特殊性，通过在倾转旋翼上设置仿生波状前缘2，控制桨叶在悬停/垂起状态的大流动分离，既能保证旋翼在巡航模式下的效率又能实现悬停/垂直起降模式下拉力的提升，克服倾转旋翼无法兼顾巡航模式的效率和悬停/垂直起降模式的拉力的问题。同时，本申请中的具有仿生波状前缘的倾转旋翼，其设计无需耗费大量计算资源，生产成本也较低。
[0031]
在一个可选实施方法中，仿生波状前缘2位于展向60％～100％桨叶高度范围内，倾转旋翼在垂直/悬停工况时，随着桨距增大，桨尖叶素将首先处于深度失速状态，流动分离最初在桨尖诱发并逐渐向桨叶中部扩张，为了减少仿生前缘对桨叶根部及桨叶中部流动结构的破坏，本实施例方式中不在60％桨叶高度以下部分加载仿生前缘。
[0032]
在一个可选实施方式中，仿生波状前缘2位于展向60％～85％桨叶高度范围内，由于倾转旋翼桨叶1在85％桨叶高度以上部分由于叶素弦长急剧缩短，设置仿生波状前缘2意义不大故仿生波状前缘2位于展向60％～85％桨叶高度范围内，可以在保证效果的前提下，减少仿生波状前缘2的设置，降低生产的难度。
[0033]
参见图1，h为桨叶高度，a为展向60％桨叶高度，b为展向85％桨叶高度，a到b的范围即展向60％～85％桨叶高度范围。
[0034]
在一个可选实施方式中，所述仿生波状前缘位于展向60％～80％桨叶高度范围内。进一步的，作为优选，展向60％～80％桨叶高度范围内的桨叶前缘均为仿生波状前缘。
[0035]
在一个可选实施方式中，所述仿生波状前缘位于展向70％～75％桨叶高度范围内。进一步的，作为优选，展向70％～75％桨叶高度范围内的桨叶前缘均为仿生波状前缘。
[0036]
在一个可选实施方式中，所述仿生波状前缘的振幅为当地叶素弦长的5％-15％，参见图1，所述仿生波状前缘2的振幅为当地叶素弦长的10％。其中，当地叶素弦长是指对应位置的原型倾转旋翼的弦长。
[0037]
在一个可选实施方式中，参见图1，所述仿生波状前缘2的波长为仿生前缘所在桨叶高度范围内的叶素弦长平均值的二分之一。
[0038]
本申请还公开了一种倾转旋翼机，包括本发明实施例中任一所述的具有仿生波状前缘2的倾转旋翼。
[0039]
以下对本申请的具有仿生波状前缘2的倾转旋翼的实例分析。某型倾转旋翼原始设计参数如表1所示：
[0040]
表2原始倾转旋翼设计参数表
[0041]
设计参数参数取值巡航速度45m/s巡航拉力200n叶片数3
翼型clark y轮毂半径0.025m桨叶半径0.35m转速6300rpm
[0042]
依据上述原始设计参数加载仿生波状前缘2，使其成为如图1所示的具有仿生波状前缘2的倾转旋翼，具体的，在numeca finetm/turbo中进行数值模拟，具有仿生波状前缘2的倾转旋翼与原始倾转旋翼的气动特性对比如下：
[0043]
图2和图3为原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘2的倾转旋翼在巡航工况下的气动特性对比图，其中，图2为原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在巡航工况下的拉力对比图，图3为原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在巡航工况下的扭矩对比图，其中，mod指具有仿生波状前缘2的倾转旋翼，ori是指原型倾转旋翼；
[0044]
由图2和图3可见，在巡航工况的设计状态下(来流为45m/s时)，二者拉力基本一致，扭矩基本一致，由此可见巡航状态效率未有损失。
[0045]
参见图4和图5，图4为前飞工况下原始倾转旋翼表面摩擦力线及静压分布图；图5为前飞工况下具有仿生波状前缘2的倾转旋翼表面摩擦力线及静压分布图；
[0046]
由图4和图5可见，在设计点巡航状态下，具有仿生波状前缘2的倾转旋翼与原始倾转旋翼静压分布基本一致，虽然波峰截面与波谷截面均由于前缘半径的改变而使各自前缘位置处的流动出现相应变化，即具有仿生波状前缘2的倾转旋翼的波峰截面最高马赫数较原型截面降低，波谷截面则因流动加速使得前缘马赫数增大，但这只是导致了前缘位置处的压力系数重新分配，并不会对总体拉力产生影响；同时，摩擦力线而加载仿生波状前缘2的桨叶表面的摩擦力线也只是出现了略微的弯曲，并没有演化出严重的倒流或者横向流动，对其流动状态几乎没有改变。综上所述，本申请中的仿生波状前缘2不会损失倾转旋翼巡航状态的效率，这对于保证倾转旋翼机的航程以及经济性有着重要的意义。
[0047]
参见图6和图7，图6和图7为原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在典型桨距工况(21度桨距的悬停/垂直起降模式)下的气动特性对比图，其中，图6为原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的典型桨距工况下的拉力对比图，图7为原始倾转旋翼与具有仿生波状前缘的倾转旋翼在典型桨距工况下下的扭矩对比图；
[0048]
由图6和图7可见，在悬停/垂直起降模式下，加载仿生波状前缘2的倾转旋翼能大幅度的增加拉力。尤其是在前飞速度为20m/s时，加载仿生波状前缘2使得拉力从567n增加到了579n。
[0049]
图4为垂起工况下原始倾转旋翼表面摩擦力线及静压分布图；图5为前飞工况下具有仿生波状前缘的倾转旋翼表面摩擦力线及静压分布图。
[0050]
图8为垂起工况下原始倾转旋翼的表面摩擦力线及静压分布图，图9为垂起工况下具有仿生波状前缘的倾转旋翼的表面摩擦力线及静压分布图，该工况下原型倾转旋翼表面已经发生了大尺度的流动分离，分离点已经到达叶素前缘。波峰截面弦长超过60％的范围内则保持了流动附着，分离点大大向后延迟，这也保证了前缘处流动能够充分加速。而波谷截面流动恶化的现象也有所改善，前缘处分离区域减小，并在弦向中间一部分区域保持顺流，只不过在尾缘处流动重新分离。而整体考察桨叶表面的摩擦力线可知，当原型倾转旋翼桨叶靠近桨尖60％长度范围内流动分离的包络线已经到达前缘位置时，加载仿生波状前缘
的桨叶在加载仿生波状前缘的区域流动拓扑发生了明显的改善，并且可以保证波峰截面平均50％弦长范围内流动呈现出顺流的特征。综上所述，具有仿生波状前缘的倾转旋翼能通过仿生波状前缘抑制悬停工况下出现的大流动分离，改善流动状态，从而实现悬停工况拉力的提升。
[0051]
本发明从仿生的角度出发，提炼加载仿生波状前缘的新设计思想，在原有的倾转旋翼桨叶上加载合理的仿生波状前缘，既保证了倾转旋翼巡航模式下的效率，又实现悬停/垂直起降模式下拉力的大幅度提升，具体的试验数据可参见表2。
[0052]
表2
[0053][0054]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0055]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0056]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

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