专利名称：一种适用于平流层低雷诺数、高效三叶螺旋桨的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于航空飞艇使用的螺旋桨，更特别地说，是针对平流层11 32《w、低密度0.36391 0.01323《g/w3、低雷诺数Re405 106、大跨飞行高 度Ow 32尺附、低转速200~500^w的新型三叶螺旋桨结构。
背景技术：
现有用于飞行器使用的螺旋桨，其叶形是按照片条理论计箅结果给出的，它要求 在桨叶长度丄方向上，其桨叶宽度6、扭角义和安装角^是非线性连续变化的，这种 桨叶在气动力学上是合理的。总的来说，由于螺旋桨的扭角;r变化较大，因轻质和结 构强度的要求，使得螺旋桨加工费时费工，而且桨叶的翼型精度和强度难以提髙。
平流层低动态飞行器飞行时，由于大气密度小，气压低，按照常规方法设计的螺 旋桨推力小、效率7 (;;=50% 65%)偏低。同时在升空、回收过程中，气动参数 (如密度P，压强尸，温度/等)的较大变化，也会对螺旋桨的效率;7和推力T带来 显著影响。因此，开展适应大跨度飞高飞行和平流层低密度大气环境的高效螺旋桨研 究，对减少能源需求和飞行负载，促进总体设计的轻型化具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于平流层的低雷诺数、高效三叶螺旋桨，该三叶螺 旋桨是针对平流层// = 11~32《附、低密度p-0.36391 0.01323^/附3、低雷 诺数Re = 105 106、大跨飞行高度/f, =Om ~32《m的飞行环境和螺旋桨效率达 80。/。的设计要求，发明人基于片条理论，采用S1223翼型设计出具有尖头尖尾大腹 部外形的新型高效三叶螺旋桨结构。该三叶螺旋桨具有高效、轻质、适应性强的优点。
本发明是一种适用于平流层的低雷诺数、高效三叶螺旋桨，由A桨叶、B桨叶、 C桨叶、桨帽、桨穀、连接件和连接柱组成，A桨叶、B桨叶和C桨叶的结构是相 同的；桨毂的前端安装有桨帽，桨毂的后端安装有连接件；A桨叶、B桨叶、C桨叶
分别安装在桨毂与连接件形成的A圆孔、B圆孔、C圆孔内，所述A圆孔由桨毂的 后端面上设有的A半圆槽与连接件的前端面上设有的D半圆槽形成，所述B圆孔由 桨毂的后端面上设有的B半圆槽与连接件的前端面上设有的E半圆槽形成，所述C 圆孔由桨毂的后端面上设有的C半圆槽与连接件的前端面上设有的F半圆槽形成； 连接柱的一端通过卡销卡合在连接件的圆凸台的通孔边缘的凹槽中，连接柱的另 一端 通过联轴器与电机的输出轴连接。
本发明三叶螺旋桨直径为4500 7500mm，效用因子62.3，最大弦长357 595mm,拉力为250 600iV ,效率为80%。
本发明三叶螺旋桨中的A桨叶的相对厚度C/6的曲线 /A) = 38.7917 — 74.8483 x r / i + 40.36 x (r / i )2 。
本发明三叶螺旋桨中的A桨叶的相对宽度6/D的曲线
/々)=附c[—0.1495 +1.25367 x W及—2.42365 x (r /及)2
3 4 ，式中，^表示螺旋桨的桨叶型
+1.86701 x(〃及)3-0.5372x(r/及)4] /c不环'玉
状系数，化=0.6 1.5。
本发明三叶螺旋桨的优点在于(1)针对平流层大气环境和效率达80%的设计 要求，基于片条理论、采用S1223翼型设计出尖头尖尾大腹部外形的桨叶；(2)釆 用碳纤维加工桨叶、轻质合金加工桨毂有效地减轻了三叶螺旋桨的重量，从而减少了 能源需求和飞行负载；(3)三叶螺旋桨拉力为250 600iV，效率为80%; (4)三 叶螺旋桨采用了定矩变速设计方案以适应平流层// = 11 32《m 、低密度/7 = 0.36391 0.01323《g/w3、低雷诺数Re - 105 106、大跨飞行高度//, =Om 32《m的飞行环境。
图1是本发明螺旋桨的主视结构图。
图1A是本发明螺旋桨的后视结构图。
图2是桨帽、桨毂、连接件装配在一起的结构图。
图2A是无桨帽时桨毂、连接件装配在一起的结构图。
图2B是桨毂、连接件、连接柱爆炸示图。
图2C是桨帽后视图。
图3是桨毂背面结构图。
图4是连接件的正面结构图。
图4A是连接件的背面结构图。
图5是桨叶主视结构图。
图5A是桨叶后视结构图。
图6是A桨叶的相对厚度C/6的曲线。
图7是A桨叶的相对宽度6/D的曲线。
图中l.A桨叶101.桨尖102.桨根103.锥形段
104.凸缘105.型面2.B桨叶3.C桨叶
4.桨帽401.内台面402.B圆孔403.连接段404.内螺纹
405.A圆孔5.桨毂501.A半圆槽502.B半圆槽503.C半圆槽
504.沉头孔505.后端面6.连接件601.D半圆槽602.E半圆槽
603.F半圆槽604.螺纹孔605.通孔606.凹槽607.前端面
608.圆凸台7.连接柱701.卡销8.轴心09.A圆孔
IO.B圆孔 ll.C圆孔
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种适用于平流层的低雷诺数、高效三叶螺旋桨，(参见图1、图1A 所示)由A桨叶1、 B桨叶2、 C桨叶3、桨帽4、桨毂5、连接件6和连接柱7组 成，A桨叶l、 B桨叶2和C桨叶3的结构是相同的；(参见图2所示)桨毂5的前 端安装有桨帽4 (通过桨毂5的外螺纹与桨帽4的连接段403的内螺纹404实现连 接)，桨毂5的后端安装有连接件6 (通过螺钉穿过连接件6的螺纹孔604、桨毂5 的沉头孔504实现将桨载5与连接件6的连接)；(参见图2A所示)A桨叶1、 B 桨叶2、 C桨叶3分别安装在桨毂5与连接件6形成的A圆孔9、 B圆孔10、 C圆 孔内11 ，所述A圆孔9由桨毂5的后端面505上设有的A半圆槽501与连接件6 的前端面607上设有的D半圆槽601形成,所述B圆孔10由桨毂5的后端面505 上设有的B半圆槽502与连接件6的前端面607上设有的E半圆槽602形成，所 述C圆孔11由桨毂5的后端面505上设有的C半圆槽503与连接件6的前端面
607上设有的F半圆槽603形成；连接柱7的一端通过卡销701卡合在连接件6 的圆凸台608的通孔605边缘的凹槽606中，连接柱7的另一端通过联轴器与电 机的输出轴连接。在本发明中，电机输出功率为6.5 15.5A:『，其可以提供螺旋桨 转速w =200 500，。
在本发明中，参见图2C所示，桨帽4的正面设计成子弹头形状，其背部开有A 圆孔405， A圆孔405内设有内台面401，内台面401的中心设有B圆孔402 (B 圆孔402用于供连接柱7在电机的带动下有空间可以使转动)，桨帽4的连接段403 上设有内螺纹404。
在本发明中，参见图3所示，桨毂5的外部为圆环，内部为规则的六边形；桨 毂5的后端面505上均匀分布设有A半圆槽501、 B半圆槽502、 C半圆槽503, 且在A半圆槽501、 B半圆槽502、 C半圆槽503的两侧分别开有两个沉头孔504。
在本发明中，参见图4、图4A所示，连接件6的外部为圆环，内部为规则的六 边形，中心设有圆凸台608，圆凸台608的中是通孔605 (供连接柱7通过)，通 孔605的边缘设有凹槽606 (供连接柱7上的卡销701卡合)；连接件6的前端面 607上均匀分布设有D半圆槽601、 E半圆槽602、 F半圆槽603,且在D半圆槽 601、 E半圆槽602、 F半圆槽603的两侧分别开有两个螺纹孔604。
在本发明中，参见图5、图5A、图5B、图5C所示，A桨叶1的一端为桨根 102， A桨叶1的另一端为桨尖101，桨根102与桨尖101之间是基于片条理论设 计出尖头大腹部尖尾，且螺旋桨扭角为32.8°的非线性几何外形；螺旋桨扭角角度 是桨根的安装角与桨尖的安装角的角度之差；由于桨根102与桨尖101之间的螺旋 桨扭角使得桨叶上出现一型面105;桨根102的外缘是锥形段103,锥形段103的 端面为凸缘104; A桨叶1的截面翼型采用S1223翼型。本发明螺旋桨在装配时， 是将各个桨叶(A桨叶1、 B桨叶2和C桨叶3)上的锥形段卡合在A圆孔9、 B圆 孔10、 C圆孔内11内，三个桨叶在高速运行时，通过凸缘104实现桨叶不被摔出， 同时解决了传统对桨叶的固定安装方法，如釆用螺钉、螺帽的配合，销孔与销钉的配 合，以及焊接刚性连接等。
本发明三叶螺旋桨中的A桨叶1的相对厚度CZ&的曲线 yj(0 = 38.7917-74.8483xWi + 40.36x(W及)2， r表示叶素半径，及表示螺旋桨半径，
参见图6所示。本发明三叶螺旋桨中的A桨叶1的相对宽度6/Z)的曲线
/2(r) = wc[—0.1495+ 1.25367 xW及-2.42365 x(〃及)2 丄， 2e 3 4 ，式中，r表示叶素半径，及表
+ 1.86701x(Wi )3 -0.5372x(r/i )4]
示螺旋桨半径，^表示螺旋桨的桨叶型状系数，附￡=0.6 1.5，参见图7所示。
本发明三叶螺旋桨直径为4500 7500mm，效用因子62.3,最大弦长357
595臓，拉力为250 600iV,效率为80%。
经地面低速风洞实验，测得本发明三叶螺旋桨能够适用于平流层// = 11 32尺附、低密度/ =0.36391~0.01323/^/附3、低雷诺数Re = 105~ 106、大跨飞 行高度A =Ow ~32/:附、飞行速度v = 15 25m/s的飞行环境。
通过对本发明三叶螺旋桨的气动性能测试，其具有低雷诺数Re-105 106 (常 规Re-106 107，故本发明称作低雷诺数)。由于桨叶的气动优化设计，使得本发 明三叶螺旋桨具有高效率80% (常规效率7 =50%~65%)。
权利要求
1、一种适用于平流层低雷诺数、高效三叶螺旋桨，其特征在于由A桨叶(1)、B桨叶(2)、C桨叶(3)、桨帽(4)、桨毂(5)、连接件(6)和连接柱(7)组成，且A桨叶(1)、B桨叶(2)和C桨叶(3)的结构是相同的；桨毂(5)的前端安装有桨帽(4)，桨毂(5)的后端安装有连接件(6)；A桨叶(1)、B桨叶(2)、C桨叶(3)分别安装在桨毂(5)与连接件(6)形成的A圆孔(9)、B圆孔(10)、C圆孔内(11)，所述A圆孔(9)由桨毂(5)的后端面(505)上设有的A半圆槽(501)与连接件(6)的前端面(607)上设有的D半圆槽(601)形成，所述B圆孔(10)由桨毂(5)的后端面(505)上设有的B半圆槽(502)与连接件(6)的前端面(607)上设有的E半圆槽(602)形成，所述C圆孔(11)由桨毂(5)的后端面(505)上设有的C半圆槽(503)与连接件(6)的前端面(607)上设有的F半圆槽(603)形成；连接柱(7)的一端通过卡销(701)卡合在连接件(6)的圆凸台(608)的通孔(605)边缘的凹槽(606)中，连接柱(7)的另一端通过联轴器与电机的输出轴连接；所述桨帽(4)的正面设计成子弹头形状，其背部开有A圆孔(405)，A圆孔(405)内设有内台面(401)，内台面(401)的中心设有B圆孔(402)，桨帽(4)的连接段(403)上设有内螺纹(404)；所述桨毂(5)的外部为圆环，内部为规则的六边形；桨毂(5)的后端面(505)上均匀分布设有A半圆槽(501)、B半圆槽(502)、C半圆槽(503)，且在A半圆槽(501)、B半圆槽(502)、C半圆槽(503)的两侧分别开有两个沉头孔(504)；所述连接件(6)的外部为圆环，内部为规则的六边形，中心设有圆凸台(608)，圆凸台(608)的中是通孔(605)，通孔(605)的边缘设有凹槽(606)；连接件(6)的前端面(607)上均匀分布设有D半圆槽(601)、E半圆槽(602)、F半圆槽(603)，且在D半圆槽(601)、E半圆槽(602)、F半圆槽(603)的两侧分别开有两个螺纹孔(604)；所述A桨叶(1)的一端为桨根(102)，A桨叶(1)的另一端为桨尖(101)，桨根(102)与桨尖(101)之间是基于片条理论设计出尖头大腹部尖尾，且螺旋桨扭角为32.8°的非线性几何外形；由于桨根(102)与桨尖101之间的螺旋桨扭角使得桨叶上出现一型面(105)；桨根(102)的外缘是锥形段(103)，锥形段(103)的端面为凸缘(104)。
2、 根据权利要求1所述的三叶螺旋桨，其特征在于三叶螺旋桨中的A桨叶(1) 的相对厚度C/6的曲线= 38.7917-74.8483x Wi + 40.36x0 /i )2 。
3、 根据权利要求1所述的三叶螺旋桨，其特征在于三叶螺旋桨中的A桨叶(1)u上屮一 ai,k/2(。-附c[—0.1495 + 1.25367xW及-2.42365x(W及)2 的相对宽度6/D的曲线72、 7a v 式中+1.86701 x (r /及)3 — 0.5372 x (r /及)4 ]W表示螺旋桨的桨叶型状系数，气=0.6 1.5。
4、 根据权利要求1所述的三叶螺旋桨，其特征在于A桨叶(1)的截面翼型 采用S1223翼型。
5、 根据权利要求1所述的三叶螺旋桨，其特征在于三叶螺旋桨直径为4500~ 7500/ww,效用因子62.3，最大弦长357 595mm ，升为为250 600iV ,效率 为80%。
6、 根据权利要求1所述的三叶螺旋桨，其特征在于三叶螺旋桨能够适用于平 流层// = 11 32《附、密度/ =0.36391~0.01323尺g/m3、雷诺数Re-105 106、大跨飞行高度/^-0w 32《m、飞行速度v-20 50m/;y的飞行环境。
全文摘要
本发明公开了一种适用于平流层低雷诺数、高效三叶螺旋桨，由A桨叶、B桨叶、C桨叶、桨帽、桨毂、连接件和连接柱组成，且A桨叶、B桨叶和C桨叶的结构是相同的；桨毂的前端安装有桨帽，桨毂的后端安装有连接件；A桨叶、B桨叶、C桨叶分别安装在桨毂与连接件形成的A圆孔、B圆孔、C圆孔内，所述A圆孔由桨毂的后端面上设有的A半圆槽与连接件的前端面上设有的D半圆槽形成，所述B圆孔由桨毂的后端面上设有的B半圆槽与连接件的前端面上设有的E半圆槽形成，所述C圆孔由桨毂的后端面上设有的C半圆槽与连接件的前端面上设有的F半圆槽形成；连接柱的一端通过卡销卡合在连接件的圆凸台的通孔边缘的凹槽中，连接柱的另一端通过联轴器与电机的输出轴连接。
文档编号B64C11/00GK101112914SQ20071012147
公开日2008年1月30日 申请日期2007年9月6日 优先权日2007年9月6日
发明者刘振刚, 刘沛清, 屈秋林, 政 张, 蓉 马 申请人:北京航空航天大学