用于反转同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统的制作方法

专利名称：用于反转同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统的制作方法
用于反转同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统 发明背景本发明涉及一种桨毂(rotor hub)整流罩(fairing)系统，更具体地， 涉及一种集成式桨毂整流罩，其尺寸定制为并且配置成减小高速旋翼 (rotary-wing)飞机的反转同轴螺旋桨(rotor)系统的综合阻力。典型地，与旋翼飞机上的桨毂有关的气动阻力占据综合飞机阻力 的显著份额，对于传统的单桨直升机典型地为25%-30%。对于具有反 转同轴螺旋桨系统的旋翼飞机来说，螺旋桨系统的阻力显著地增加， 主要是由于多余的桨毂及位于上螺旋桨系统与下螺旋桨系统之间的 互连主轴的缘故。对于高速旋翼飞机来说，由反转同轴螺旋桨系统引 起的增加的阻力可能引起相对显著的动力障碍。双反转同轴螺旋桨系统的气动阻力是由三个主要构件产生的上 毂、下毂以及互连螺旋桨主轴组件。每个毂的阻力成分大约为40%， 而互连主轴组件的阻力成分为20%。因此，需要提供一种可减小阻力的桨毂整流罩系统，用于具有反 转同轴螺旋桨系统的旋翼飞机。发明概要根据本发明的用于双反转同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统大 体上包括上毂整流罩、下毂整流罩以及设置于两者之间的主轴整流 罩。桨毂整流罩系统的尺寸定制并配置成减小螺旋桨系统上的综合阻 力。优选地，桨毂整流罩系统是一种通过分析及/或测试而改进的集成 式系统，用于减小综合阻力。桨毂整流罩系统被视为将阻力减小的系 统，而不是由单个构件将阻力减小。桨毂整流罩系统通过减小表面结 合区域内的过分分离而减小了阻力。此外，通过引入集成式设计，通过解决干涉效果并且为每个螺旋桨系统配置优化表面分布而得以减 小阻力。在相交表面处使用圓角进一步减小了综合阻力。主轴整流罩优选地包括位于主轴整流罩中部的最小厚度。位于主 轴整流罩中部的每个侧边上并且靠近上毂整流罩与下毂整流罩的外 部主轴整流罩区段，限定了大于主轴整流罩中部的厚度。减小中部的 厚度减小了阻力，而增加外部主轴整流罩区段处的厚度则减小了毂整 流罩表面上的流动分离。根据本发明的另 一个实施例，桨毂整流罩系统可以包括水平翼状 分流器翼型，其自主轴整流罩，优选地在中部延伸。分流器翼型包括 翼型轮廓，该翼型轮廓减小了阻力以及对攻角差异的敏感度。分流器 翼型的翼型形状可以提供固定或可调的攻角，以便在减小机身与尾部 振动的方向内特别地适应桨毂尾流。根据本发明的又一个实施例，桨毂整流罩系统可以包括多个转向 叶片，其有助于围绕上毂整流罩以及下毂整流罩尾端的流动，以便减 小气流分离及阻力。桨毂整流罩系统可以包括靠近下毂而定位的多个 转向叶片、靠近上毂而定位的多个转向叶片或其任何组合。上转向叶 片可以靠近上毂整流罩而定位，并且包括优选地与上毂整流罩外形相 符的拱部，而下转向叶片可以靠近下毂整流罩而定位，并且包括优选 地与下毂整流罩外形相符的拱部。因此，本发明提供一种可减小阻力的桨毂整流罩系统，其用于具 有反转同轴螺旋桨系统的旋翼飞机。附图筒述根据当前优选实施例的以下详述，本发明的多种特征与优点将为 那些熟悉本领域的技术人员所清楚。伴随详述的附图可简要地描述如下

图1A和图1B为与本发明一起使用的示例性旋翼飞机实施例的概 略示意图；图1C为根据本发明而设计的集成式桨毂整流罩系统的侧视图； 图1D为沿图1C中的线D-D获取的集成式桨毂整流罩系统的截 面图；图IE为根据本发明而设计的集成式桨毂整流罩系统的局部以虛线表达的侧视图；图2A为集成式桨毂整流罩系统的倾斜尾部透视图；图2B为图2A所示集成式桨毂整流罩系统的后部透视图；图2C为翼型形状的示意图，其与图2A中的集成式桨毂整流罩系统的主轴整流罩一起使用；图2D为图2A中的桨毂整流罩系统产生的计算得出的总体等压线；图3A为具有分流器翼型(splitter airfoil)的另 一种集成式桨毂整流 罩系统的顶部倾斜透视图；图3B为图3A中的集成式桨毂整流罩系统的侧视图； 图3C为图3A中的集成式桨毂整流罩系统的主视图； 图3D为图3A中的集成式桨毂整流罩系统的后视图； 图3E为图3A中的桨毂整流罩系统产生的计算得出的总体等压线；图4A为具有许多转动叶片的另一种集成式桨毂整流罩系统的尾 部倾斜透视图；图4B为图4A中的集成式桨毂整流罩系统的底部倾斜透视图； 图4C为图4A所示集成式桨毂整流罩系统的后部透视图； 图4D为图4A所示集成式桨毂整流罩系统的俯视图，并且上毂 整流罩已被除去；以及图4E为图4A中的桨毂整流罩系统产生的计算得出的总体等压线。优选实施例详述图1A和图IB展示了示例性的垂直起飞与降落(VTOL)的高速旋 翼飞机IO，高速旋翼飞机IO具有双反转同轴螺旋桨系统12。飞机IO 包括支撑着双反转同轴螺旋桨系统12以及可选的平移推力系统30的 机身14,平移推力系统30提供大体上平行于飞机纵轴线L的平移推 力。虽然在所公开的实施例中展示了特定的飞机配置，然而其它机器 也将从本发明中获益。双反转同轴螺旋桨系统12包括上螺旋桨系统16和下螺旋桨系统 18。每个螺旋桨系统16、 18包括安装到桨毂22、 24上的多个螺旋桨 桨片20，用于围绕转动轴线A转动。多个主螺旋桨桨片20大致径向 向外地从毂组件22、 24突出，并且以为业界的普通技术人员所知的 任何方式而连接到毂组件22、 24(示意性地展示于21处)。任何数量的 桨片20可用于螺旋桨系统12。可以定位于机舱28上方的主变速箱26驱动螺旋桨系统12。可选 的平移推力系统30可被驱动螺旋桨系统12的相同主变速箱26所驱 动。主变速箱26被一个或多个发动机(示意性地展示于E处；并且展 示了两个)所驱动。如图所示，主变速箱26可介于一个或多个气体涡 轮发动机E、螺旋桨系统12与平移推力系统30之间。平移推力系统30可安装到^/L身14的尾部，并且使转动轴线T定 向成大致地水平并且平行于飞才几纵轴线L，以便为高速飞行提供推力。 优选地，平移推力系统30包括安装在气动发动机罩34内的推动式推 进器32。参考图1B，螺旋桨系统12包括桨毂整流罩系统36,优选地为集 成式桨毂整流罩系统，其大体上定位于上螺旋桨系统16与下螺旋桨 系统18之间，并且围绕上螺旋桨系统16与下螺旋桨系统18，从而使 桨毂22、 24至少部分地包含于其内。申请人已经发现反转同轴螺 旋桨系统12上的阻力可以由大M^莫气流分离引起的气动阻力所支配； 典型地，表面摩擦阻力大约可以占据综合飞机阻力的10%,桨毂整流 罩系统36实现了重大的阻力减小，其中大大减少了大规4莫的气流分离。桨毂整流罩系统36大体上包括上毂整流罩38、下毂整流罩40以 及位于两者之间的主轴整流罩42。优选地，桨毂整流罩系统36为集 成式，以便减小分离的整流罩38、 40、 42之间的干涉效果，并且消 除结合区域内的过量分离(图1C和图1D)。文中所用的术语"集成式" 指的是主轴整流罩42大体上在上毂整流罩38与下毂整流罩40之间 的转动接触面处与上毂整流罩38及下毂整流罩40的轮廓相符。通过 解决干涉效果，以便优化特定安装的表面分布，桨毂整流罩系统36 进一步减小了阻力。此外，相交表面的详细表面修改，包括圆角以及 修改后的接触面形状可用于进一 步优化阻力的减小。参考图1E，主轴整流罩42优选地通过轴承结构43U、 43L(示意 性地示出)而附接到反转同轴螺旋桨系统12，从而使主轴整流罩42可 自由地与相对风场对齐。优选地，上轴承43U和下轴承43L可靠近主 轴整流罩42的上部和下部而定位。上轴承43U附接到一个螺旋桨主 轴12U，而下轴承43L附接到另一个螺旋桨主轴12L，从而使轴承反 向转动并且净阻力相对较低，进而有助于主轴整流罩42与相对风场 之间的对齐。图2A展示了桨毂整流罩系统36的一个实施例。优选地，桨毂整 流罩系统36包括主轴整流罩42，该主轴整流罩42具有上桨毂整流罩 38与下桨毂整流罩40之间的厚度分布，并且在主轴整流罩的中部46 处具有最小厚度，从而使主轴整流罩42具有适当的沙漏形状(图2B)。 靠近上毂38与下毂40的外部主轴整流罩区段48,限定了大于主轴整 流罩中部46的厚度(也示意性地展示于图2C中)。减小主轴整流罩中 部46的厚度减小了阻力，而通过减小气流分离的程度(如图2D中的 阴影区域所示)来增加外部主轴整流罩区段48处的厚度则减小了上桨 毂整流罩38与下桨毂整流罩40上的气流分离，并且没有在桨毂整流 罩系统36上产生过度多余的阻力。本领域内的普通技术人员应当容 易地理解除了沙漏形状之外，主轴整流罩可结合其它形状，并且仍将与本发明一致。优选地，如前所述，主轴整流罩42与上桨毂整流罩38及下桨毂整流罩40集成在一起，以便进一步减小综合阻力。主轴整流罩42也可以包括后缘44，后缘44在周缘38p、 40p的 尾部延伸，周缘38p、 40p由上桨毂整流罩38与下桨毂整流罩40所 限定，后缘44充分地减小压差阻力。应当注意虽然由于表面区域 增加的缘故，主轴整流罩42可能产生伴随的表面摩擦阻力的增加， 然而，减小的压差阻力导致显著的综合阻力减小。关于主轴整流罩弦 长/桨毂整流罩的直径(c/D),主轴整流罩42限定了优选的主轴整流罩 弦线长度范围，该范围在c-0.90xD到1.25xD之间，并且最优选地在 桨毂整流罩直径(D)的110%到120%之间。由于俯仰轴线P(参考图2C) 限定于四分之一弦长位置处(c/4),延伸超越毂周缘38p、 40p的主轴整 流罩长度(L)可以由方程所限定 L=(0.75*(c/D)-0.5)*D参考图2C，主轴整流罩42优选地分别沿着主轴整流罩的中部46 及外部区段主轴整流罩48而限定了与NACA 0028以及NACA 0042 系列翼型成比例的翼型形状。主轴整流罩42优选地在主轴整流罩中 部46处限定了一定厚度，该厚度为弦线长度的24%,且在外部区段 48处限定了一定厚度，该厚度为弦线长度的42%。应当理解其它翼 型形状也可以与本发明一同使用。优选地，主轴整流罩42包括对称的尾部厚度分布，该厚度分布 减小了上与下毂整流罩38、 40上的压差阻力。最优选地，主轴整流 罩42将俯仰轴线P定位于四分之一弦长(c/4)的位置处。俯仰轴线P 优选地与螺旋桨的转动轴线A同轴。通过将桨毂整流罩36集成化，对主轴整流罩42、上毂整流罩38 与下毂整流罩40之间的干涉进行优化，修改主轴整流罩42的外形及 翼型形状，申请人已经认识到相对于先前的毂整流罩，净阻力减小 了大约54%,而相对于未整流0果露)桨毂系统，则减小了 68%。相对 于先前的毂整流罩，申请人进一步将螺旋桨系统12的最上端区域，即上毂整流罩48和主轴整流罩42上的阻力减小了大约66%,而相对 于棵露的毂则减小大约74%。
参考图3A,另一种桨毂整流罩系统36A大体上包括上毂整流罩 38A、下毂整流罩40A以及连4妄于两者之间的主轴整流罩42A。桨毂 整流罩系统36A进一步包括水平翼状分流器翼型50，其从主轴整流 罩42A延伸。
分流器翼型50优选地从上毂整流罩38A与下毂整流罩40A之间 的主轴整流罩42A延伸。分流器翼型50限定俯仰轴线52，其大体上 横向于转动轴线A。应当理解可以额外地使用结合图2实施例描述 的成形主轴整流罩中部46。此外，如上所述，主轴整流罩42A可以 与上毂整流罩38A及下毂整流罩40A集成起来，从而进一步减小了综 合阻力。分流器翼型50也可以与主轴整流罩42A集成起来。
优选地，分流器翼型50包括翼型轮廓，翼型轮廓减小了阻力和 对攻角差异的敏感度，阻力和对攻角差异的敏感度可能会在桨毂整流 罩系统36A的下方发生。分流器翼型50优选地在接近桨毂整流罩 38A、 40A的尾部周缘处限定了最大厚度(图3B)。即，分流器翼型50 包括具有接近中部弦线的最大厚度的翼型形状。分流器翼型50也可 以包括分流翼型后缘54,其在主轴整流罩的后缘44A的尾部延伸。
分流器翼型50的翼型形状优选地相对于上毂整流罩38A与下毂 整流罩40A的外形而成形。分流器翼型50也可以在圓周方向内成形， 以便接近桨毂整流罩周缘38Ap、 40Ap(图3C和图3D)。分流器翼型 末端55优选地相对于桨毂整流罩周缘38Ap、40Ap而与自由流紧密地 对齐，从而使综合边缘阻力得到减小。即，分流器翼型50没有显著 地延伸穿过上毂整流罩38A与下毂整流罩40A的周缘38Ap、 40Ap。
分流器翼型50的尺寸可以定制并且配置成通过特别地适应分流 器翼型50的攻角而对尾流的轨线进行导向，该轨线由桨毂整流罩系 统36A所产生。分流器翼型50的翼型形状有助于使固定或可调的攻 角，在减小对机身14的冲击与尾部振动的方向内特别地适应桨毂尾流。优选地，分流器翼型50相对于飞机纵轴线L(图1A)而沿着俯仰 轴线52在预定的攻角处倾斜(图3B)。备选地或额外地，作为对特定 飞行轮廊的响应，分流器翼型50可以主动地与俯仰轴线52铰接。
分流器翼型50减小了有效区域，并且增加了经过桨毂整流罩系 统36A尾部区段的气流，该尾部区段靠近上毂整流罩38A与下毂整流 罩40A，从而减小了气流分离。分流器翼型50也减小了气流的有效 扩散速度，其减小了上毂整流罩38A与下毂整流罩40A上的气流分离 障碍(图3E)。应当理解分流器翼型50的位置、尺寸、摆位及平面 形状优选地被优化，以便减小上毂整流罩38A与下穀整流罩40A上分 离的气流，从而获得改善的综合阻力减小。分流器翼型50也可以与 其它主轴整流罩设计及圓角结合起来使用，以便减小综合阻力。
参考图4A，另一种桨毂整流罩系统36B大体上包括上毂整流罩 38B、下毂整流罩40B以及连接于两者之间的主轴整流罩42B。桨毂 整流罩系统36B进一步包括多个转向叶片60U、 60L，其从主轴整流 罩42B上靠近主轴整流罩42B的后缘44B处延伸。转向叶片60U、 60L优选地从主轴整流罩42B的外部主轴整流罩48B处延伸。即，上 转向叶片60U与下转向叶片60L分别朝着上毂整流罩38B和下毂整 流罩40B偏置。应当理解虽然本发明展示并且描述为同时具有多个 上转向叶片60U与多个下转向叶片60L,然而这不是必然的，并且桨 毂整流罩系统36B可以包括单对上转向叶片60U或单对下转向叶片 60L。此外，如结合图2实施例所述的那样，桨毂整流罩系统36B可 以结合有成形的主轴整流罩中部46。而且如上所述，主轴整流罩42B 可与上毂整流罩38B及下毂整流罩40B集成在一起，以便进一步减小 综合阻力。.此外，转向叶片60U、 60L也可以与主轴整流罩42B集成 在一起。
转向叶片60U、 60L优选地相对于上毂整流罩38B与下毂整流罩 40B的外形而成形。上转向叶片60U可以靠近上毂整流罩38B而定位， 并且优选地包括与上毂整流罩38B的外形相符的拱部(camber),而下转向叶片60L可以靠近下穀整流罩40B而定位，并且优选地包括与下 毂整流罩40B的外形相符的拱部(图4B和图4C)。转向叶片60U、 60L 也优选地在圓周方向内成形，以便接近环形桨毂整流罩周缘38Bp、 40Bp(图4D)，并且优选地包括弧形后缘62，其与桨毂整流罩周缘 38Bp、 40Bp相符。转向叶片末端64优选地与相对于桨毂整流罩外周 缘3犯p、 40Bp的自由流紧密地对齐(图4D)，从而使综合边缘阻力得 到减小。即，转向叶片60U、 60L截断，并且没有显著地延伸穿过上、 下毂整流罩周缘38Bp、 40Bp，以便将末端64对齐，该末端64平行 于自由流气流(图4C)。
上、下转向叶片60U、 60L可以为非对称的翼型形状，其互为镜 相。转向叶片60U、 60L朝向成使得最靠近相关毂整流罩表面的翼 型表面大约地在自由流气流的方向内与毂整流罩上的表面相符，从而 允许一些区域在朝着转向叶片后缘62的方向内扩张。转向叶片60U、 60L与相应的上下毂整流罩38B、 40B的内表面之间的区域渐渐增加， 以避免过分扩散和气流分离。
转向叶片60U、 60L有助于围绕上下毂整流罩38B、 40B尾部区 域的流动(图4E),其减小了气流分离和压差阻力。来自转向叶片60U、 60L端部的末端涡流进一步延迟了气流分离。
应当理解相对的位置术ig"比如"前向"、"后向"、"上"、 "下，，、"上方，，、"下方，，等是以交通工具的正常运行姿态为参考 的，并且不应当认为是以其它方式进行限制。
应当理解虽然特定的构件结构公开于所展示的实施例中，其它 结构也将从本发明中受益。
虽然特定的步骤顺序已^^示、描述并要求保护，应当理解除 非另行指示，步骤可以任何次序执行，且步骤可分离或组合起来，并 且也将从本发明中受益。
以上描述为示例性的，而不是由描述中的限定所限定。考虑到以 上启发，本发明的许多修改与变型是可能的。本发明的优选实施例已被公开，然而，本领域的普通技术人员应当认识到一定的修改将落入
本发明范围。因此，应当理解在附加权利要求的范围内，本发明可
以特定描述方式之外的其它方式实施。为此，应当研究以下权利要求， 以便确定本发明的真正范围和内容。
权利要求
1.一种用于同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统，其包括上毂整流罩，其围绕轴线而限定；下毂整流罩，其围绕所述轴线而限定；以及位于所述上毂整流罩与所述下毂整流罩之间的主轴整流罩，所述主轴整流罩成形为减小所述同轴螺旋桨系统上的阻力。
2. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴 整流罩相对于所述上毂整流罩和所述下毂整流罩而借助轴承安装。
3. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴 整流罩包括延伸穿过所述上毂整流罩和所述下毂整流罩的俯仰轴线， 所述俯仰轴线包括所述同轴螺旋桨系统的转动轴线。
4. 如权利要求2所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述俯仰 轴线大体上平行于所述轴线。
5. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述俯仰 轴线限定于四分之一弦长处，所述俯仰轴线与所述轴线重叠。
6. 如权利要求1所迷的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴 整流罩大体上在沿所述轴线获耳又的截面内呈沙漏形状。
7. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴 整流罩包括厚度分布，在所述厚度分布内，最小厚度至少部分地沿着 所述成形中部而出现。
8. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴 整流罩包括沿着所述中部的NACA 0028翼型，以及靠近所述上毂整 流罩与所述下毂整流罩的NACA 0042翼型。
9. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴 整流罩的后缘延伸超过所述上毂整流罩和所述下穀整流罩的周缘。
10. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，进一步 包括横向于所述主轴整流罩的分流器翼型。
11. 如权利要求IO所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述分 流器翼型自所述主轴整流罩的成形中部延伸，所述主轴整流罩包括厚 度分布，在所述厚度分布内，最小厚度至少部分地沿着所述成形中部 而出现。
12. 如权利要求IO所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述分 流器翼型的后缘延伸超过所述主轴整流罩的后缘。
13. 如权利要求IO所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述分 流器翼型限定了靠近中部弦线位置的最大厚度。
14. 如权利要求IO所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述分 流器翼型包括小于所述上毂整流罩直径的跨距。
15. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，进一步包括多个转向叶片。
16. 如权利要求15所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述多 个叶片包括上转向叶片和下转向叶片。
17. 如权利要求15所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述上 转向叶片与所述下转向叶片朝着所述相应的上毂整流罩与下毂整流罩而成拱形。
18. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述上 毂整流罩、所述下毂整流罩与所述主轴整流罩集成于单个元件中。
19. 如权利要求1所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所迷整 流罩成形为在其中心区域具有减小的厚度。
20. —种用于同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统，其包括 上毂整流罩；下毂整流罩；以及位于所述上毂整流罩与所述下毂整流罩之间的主轴整流罩，所述 主轴整流罩限定了主轴整流罩弦长与毂整流罩直径的比值c/D,介于 0.90D到1.25D之间。
21. 如权利要求20所述的桨毂整流罩系统，其特征在于，所述主轴整流罩限定了主轴整流罩弦长，所述主轴整流罩弦长大约为所述毂 整流罩直径的110%到120%。
22. —种同轴螺旋桨系统，其包括 上螺旋桨系统，其包括围绕转动轴线转动的上桨毂； 上毂整流罩，其至少部分地围绕所述上桨毂的一部分； 下螺旋桨系统，其包括围绕所述转动轴线转动的下桨毂；-下毂整流罩，其至少部分地围绕所述下桨毂的一部分；以及 位于所述上毂整流罩与所迷下毂整流罩之间的主轴整流罩，所述 主轴整流罩具有大体上平行于所述转动轴线的俯仰轴线。
全文摘要
一种桨毂整流罩系统包括上毂整流罩、下毂整流罩以及设置于两者之间的主轴整流罩。桨毂整流罩系统的尺寸定制并配置成减小双反转同轴螺旋桨系统上的综合阻力。优选地，桨毂整流罩系统完全地集成化。主轴整流罩优选地包括位于中部的最小厚度，用于减小阻力，并且具有靠近上下毂整流罩的增加的厚度，用于减小毂整流罩表面上的气流分离并且没有过度多余的阻力。其它气动结构，比如水平分离器及/或多个转向叶片可安装到主轴整流罩上，用于有助于围绕上下毂整流罩的流动，以便减小气流分离和阻力。
文档编号B64C11/48GK101233045SQ200680027750
公开日2008年7月30日 申请日期2006年4月28日 优先权日2005年5月31日
发明者F·P·贝尔托洛蒂 申请人:西科尔斯基飞机公司