本发明属于飞行器推进装置设计技术领域，尤其涉及一种相位差可变的共轴同向螺旋桨。
背景技术：
在螺旋桨最大直径受限的情况下，增大螺旋桨推力的最主要手段是增大旋翼翼面积，也就是增大旋翼实度。增大旋翼实度可依靠增大桨叶弦长以及增加桨叶片数两种方法实现。如上世纪三十年代的螺旋桨战斗机以使用二叶、三叶螺旋桨为主，典型例子如伊-16(两叶)、拉-9(三叶)等。但在40年代末，四叶螺旋桨逐渐成为主流，如ki-84、p-51等。
考虑到旋翼实度大于某一范围以后螺旋桨效率会下降，业界提出了共轴反桨方案。共轴反桨推进装置的两螺旋桨转动轴在空间上重合，但其桨叶旋转平面沿转动轴方向存在一定的位置差，前后螺旋桨的旋翼实度均处于中等水平，旋转方向彼此相反，该方案以螺旋桨前后错开的形式保证了两片螺旋桨的旋翼实度没有突破最优范围的上限。使用共轴反转螺旋桨的典型飞行器有俄罗斯的图-95m、英国韦斯特兰“飞龙”螺旋桨战斗机等。
对于单螺旋桨方案而言，尽管增大旋翼实度可以增大单螺旋桨推进装置的推力，但该方法同时增大了螺旋桨各片桨叶之间的不利气动干扰，使得螺旋桨气动效率随着推力的增大而不断降低。对于共轴反桨方案，该方案可保证两个螺旋桨均处于较优的旋翼实度，但由于两片螺旋桨的转动方向相反，位于后方的螺旋桨将不停地穿过前方螺旋桨的尾流，这会产生一种复杂的、周期性的动态不利气动干扰，使共轴反桨推进装置的整体气动效率变低。螺旋桨的气动效率决定着飞行器的推力功率比，气动效率下降意味着同等推力下螺旋桨所需要的发动机功率增大，燃油消耗率增大，这会削短螺旋桨飞行器的航程。由于共轴反转螺旋桨的不利气动干扰具有周期性，因此还会持续产生较大的气动噪声。这种噪声会导致机上人员舒适度降低，飞机的隐蔽性变差。如俄罗斯图-95m轰炸机，其共轴反转螺旋桨产生的噪音高达130分贝，即便在水下也能听得一清二楚。
技术实现要素：
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种能够进一步减弱增加螺旋桨推力导致的不利气动干扰的共轴螺旋桨，本发明的具体技术方案如下：
一种相位差可变的共轴同向螺旋桨，包括前方螺旋桨、螺旋桨转轴、滑动套筒与后方螺旋桨；其中，
所述螺旋桨转轴穿过所述前方螺旋桨，两者刚性固连；
所述螺旋桨转轴穿过所述后方螺旋桨，但不与所述后方螺旋桨直接接触；
所述后方螺旋桨的内部设有供所述滑动套筒穿过的通孔；所述滑动套筒外侧具备倾斜外螺纹，所述后方螺旋桨的通孔内壁具有与其配合的倾斜内螺纹；
通过控制所述滑动套筒轴向移动，改变旋转的所述后方螺旋桨的相位角，进而改变所述后方螺旋桨与所述前方螺旋桨的相位差，所述后方螺旋桨在各种前进比下均不会与所述前方螺旋桨的尾流接触。
进一步地，所述后方螺旋桨的相位变化量为：
式中：δθ为所述后方螺旋桨的相位变化量，δx为所述滑动套筒的轴向移动距离，α为所述滑动套筒的螺纹倾角，r为所述滑动套筒的截面半径。
进一步地，所述共轴同向螺旋桨还包括两个螺旋桨限位器，与所述螺旋桨转轴刚性固连，所述螺旋桨限位器设有通过所述滑动套筒的通道。
进一步地，所述共轴同向螺旋桨还包括三个平面轴承和套筒控制圈，其中，
所述后方螺旋桨两侧分别由近及远依次设置一个所述平面轴承和一个所述螺旋桨限位器，配合完成所述后方螺旋桨的坐标限位；
所述滑动套筒的轴向外侧依次设置一个所述平面轴承和所述套筒控制圈，由于存在一个所述平面轴承，所述滑动套筒的旋转无法传递给所述套筒控制圈，两者在转动运动上具备独立性。
进一步地，所述螺旋桨转轴圆柱面的左右两侧设置凸起棱，与所述滑动套筒内部的凹槽组成滑动副，使所述滑动套筒能够且只能在所述螺旋桨转轴上沿轴向移动。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过为添加可调节后方螺旋桨相位的套筒,实现了使共轴同向螺旋桨的后方螺旋桨具备在各种工况下避开前方螺旋桨尾流的能力，提高了共轴螺旋桨推进系统的气动效率，降低了气动噪声。
2.与高旋翼实度单螺旋桨方案相比，本发明的桨叶间距离更大，有利于减小桨叶间不利气动干扰；与共轴反桨方案相比，本发明因后方螺旋桨无需穿过尾流所以不利气动干扰相对较小，效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明装置的轴测图；
图2为本发明装置的正视图；
图3为本发明装置的侧视图；
图4为本发明装置的俯视图；
图5(a)为本发明装置在过转轴中心线的正视平面内的剖面图；
图5(b)为本发明装置在过转轴中心线的侧视平面内的剖面图；
图6为本发明装置的零部件拆解示意图；
图7为本发明装置的工作原理侧视示意图，其中，(a)为相位差改变前的前后螺旋桨相对关系示意图，(b)为相位差改变后的前后螺旋桨相对关系示意图；
图8为本发明装置的工作原理俯视示意图，其中，(a)为相位差改变前的前后螺旋桨相对关系示意图，(b)为相位差改变后的前后螺旋桨相对关系示意图。
附图标号说明：
1-前方螺旋桨；2-螺旋桨转轴；3-滑动套筒；4-螺旋桨限位器；5-平面轴承；6-后方螺旋桨；7-套筒控制圈。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提出一种使用共轴同向旋转的螺旋桨，即沿螺旋桨推力方向前后布置两个旋转轴重合的螺旋桨，与传统共轴反向螺旋桨不同的是，本发明提出的两个螺旋桨旋转方向相同，后方螺旋桨与前方螺旋桨存在一定的相位差以确保自己远离前方螺旋桨的尾流螺旋面。考虑到螺旋桨的前进比的改变会导致前方螺旋桨尾流在空间中的分布规律也发生变化，对于普通的共轴同向旋转螺旋桨方案，因其前后螺旋桨相位差不可变，螺旋桨前进比达到某个特定值以后后方螺旋桨将持续处于前方螺旋桨的尾流中。因此相位差固定的共轴同向螺旋桨无法避免特定前进比下螺旋桨效率下降的问题。本发明为后方螺旋桨设计了一个能够独立调节其相位角的套筒。在实际运行过程中，若前进比变化导致尾流螺旋面逼近后方螺旋桨，后方螺旋桨将通过套筒的轴向移动调整其与前方螺旋桨形成的相位差，使自身仍旧能够处于前方螺旋桨的尾流区域之外，以此减小共轴螺旋桨系统的不利气动干扰以及气动噪声。
如图1-4所示，一种相位差可变的共轴同向螺旋桨，包括前方螺旋桨1、螺旋桨转轴2、滑动套筒3与后方螺旋桨6；其中，
螺旋桨转轴2穿过前方螺旋桨1，两者刚性固连；
螺旋桨转轴2穿过后方螺旋桨6，但不与后方螺旋桨6直接接触；
后方螺旋桨6的内部设有供滑动套筒3穿过的通孔；滑动套筒3外侧具备倾斜外螺纹，后方螺旋桨6的通孔内壁具有与其配合的倾斜内螺纹；
通过控制滑动套筒3轴向移动，改变旋转的后方螺旋桨6的相位角，进而改变后方螺旋桨6与前方螺旋桨1的相位差，后方螺旋桨6在各种前进比下均不会与前方螺旋桨1的尾流接触。
共轴同向螺旋桨还包括两个螺旋桨限位器4，与螺旋桨转轴2刚性固连，螺旋桨限位器4设有通过滑动套筒3的通道，滑动套筒3能够保证其自身在不与螺旋桨限位器4发生碰撞的前提下穿过螺旋桨限位器4；
共轴同向螺旋桨还包括三个平面轴承5和套筒控制圈7，其中，
后方螺旋桨6两侧分别由近及远依次设置一个平面轴承5和一个螺旋桨限位器4，配合完成后方螺旋桨6的坐标限位；由于平面轴承5在螺旋桨限位器4与后方螺旋桨6之间，螺旋桨转轴2的转动运动无法直接传递给后方螺旋桨6，因此后方螺旋桨6与前方螺旋桨1在转动运动上不具备严格的同步性质，有利于实现相位差调节功能；
滑动套筒3的轴向外侧依次设置一个平面轴承5和套筒控制圈7，由于存在一个平面轴承5，滑动套筒3的旋转无法传递给套筒控制圈7，两者在转动运动上具备独立性。
如图5、图6所示，螺旋桨转轴2圆柱面的左右两侧设置凸起棱，与滑动套筒3内部的凹槽组成滑动副，使滑动套筒3能够且只能在螺旋桨转轴2上沿轴向移动。
滑动套筒3外侧具备倾斜外螺纹，后方螺旋桨6内侧具有与其配合的倾斜内螺纹，滑动套筒3与后方螺旋桨6通过斜螺纹配合，当滑动套筒3在螺旋桨转轴2上沿轴向滑动时，后方螺旋桨6将因为斜螺纹配合发生相对于螺旋桨转轴2轴心的旋转。由于滑动套筒3与螺旋桨转轴2通过沿轴向的滑动副连接，二者无法产生周向的相对运动，因此滑动套筒3在转动运动上时刻与螺旋桨转轴2同步，滑动套筒3可以向外传递螺旋桨转轴2的转动运动。滑动套筒3通过平面轴承5与套筒控制圈7连接，在整套螺旋桨系统旋转过程中，通过平移套筒控制圈7推动滑动套筒3使后方螺旋桨6相对于螺旋桨转轴2以及前方螺旋桨1的相位差发生变化。本发明上述机构实现了改变共轴同向螺旋桨的前后桨叶相位差的功能。
对于共轴双螺旋桨装置而言，前方螺旋桨将在其后方形成一个螺旋面形状的尾流剪切层，如图7所示。受粘性作用，尾流剪切层内部的气体流速较低，当后方螺旋桨经过尾流剪切层时后方螺旋桨的气动效率将会下降。对于共轴反向螺旋桨，由于转向不同，后方螺旋桨注定会周期性穿越前方螺旋桨的尾流剪切层，因而尾流剪切层导致的气动问题在共轴反向螺旋桨上无法避免；对于共轴同向螺旋桨，当前进比达到某一数值时，尾流剪切层仍将接触后方螺旋桨。
本发明提出的方案使共轴同向螺旋桨具备调节前后相位差的功能，通过前后推动套筒控制圈7使滑动套筒3轴向移动，进而改变正在旋转的后方螺旋桨6的相位角，改变后方螺旋桨6与前方螺旋桨1的相位差。具体公式如下：
式中：δθ为后方螺旋桨6的相位变化量，δx滑动套筒3的轴向移动距离，α为滑动套筒3的螺纹倾角，r为滑动套筒3的截面半径。如图7、图8所示，(a)(b)所对应的螺旋桨相位差不同，通过前后改变螺旋桨相位差可以使后方螺旋桨6在各种前进比下均不会与前方螺旋桨1的尾流接触，有利于提高螺旋桨系统整体的气动效率。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。