CN104943853A - 一种能够变桨径的螺旋桨 - Google Patents

Abstract

一种能够变桨径的螺旋桨，底座上表面的中部有平面涡卷弹簧。各桨叶的桨叶柄分别安放在所述涡卷弹簧两侧的桨叶柄滑槽内；同步杆铰接在两个桨叶柄的端面；各同步杆的另一端均与所述变径同步机构中的同步盘连接。连接套装在各桨叶铰接有所述同步杆一端的端头，在底座的桨叶柄滑槽内有滑轨。同步盘在底座表面的位置与安放在同步盘中的平面涡卷弹簧的位置对应，并套装在平面涡卷弹簧的内连接轴上。在两个桨叶柄的一端均套装有直线轴承。本发明使用过程中螺旋桨有四种状态，在旋转过程中依据桨叶自身的离心力大小控制螺旋桨的桨径大小，具有结构简单和能耗少的特点。

Description

一种能够变桨径的螺旋桨

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器推进装置变体螺旋桨机构，具体的说是一种可变直径螺旋桨机构。

背景技术

因为20～30km高空的空气密度是海平面的1/14～1/70，螺旋桨负载工况在高空和低空时变化范围很大，电机系统与螺旋桨在大范围变化的工况中很难保持全功率匹配，存在着按照高空环境设计的动力系统在低空时性能较差，按照低空环境设计的动力系统在高空时性能很差的现象。造成这种现状的原因是目前推进系统大都采用桨径固定的螺旋桨，在电机最大输出扭矩限制下，海平面推进系统螺旋桨最大转速是高空最大转速的1/3～1/8倍，造成推进系统低空推力很小，在低空飞行时动力严重不足。解决这一问题的关键在于提高螺旋桨效率和高低空的适用范围，从而彻底改善推进系统的性能。

为了使飞艇能同时适应高低空工况，目前的高空飞艇大都采用高空和低空推进系统并存的方案：高空时使用高空动力系统方案，低空时使用低空动力系统方案。但是这种推进系统方案造成高空飞艇非常大的重量赔付和能源浪费，会降低高空飞艇的总体性能。因此，这种方案虽然可以应付短时间的关键技术飞行演示，但对于长期驻空(一个月以上)的临近空间飞行器来说意义不大。

变桨距和变桨径螺旋桨推进系统是一种更好的解决该问题的技术途径，低空时采用小桨径和小桨距螺旋桨推进系统，高空时采用大桨径和大桨距螺旋桨推进系统。采用变桨径螺旋桨可以保证推进系统最大程度利用能量，增加推进系统输出推力。

变桨距螺旋桨技术在直升机领域发展已比较成熟，但在浮空器研究、倾转旋翼研究、风力发电等领域由于螺旋桨变距范围的限制，仅仅通过改变螺旋桨的桨距无法让螺旋桨在不同的工况下均达到较高的效率。因而在这些研究领域采用变径螺旋桨可以扩展螺旋桨的调节范围，提高螺旋桨的效率以及推进系统不同工况下的适应性。

现有技术中，有一种应用于飞行器的可变直径螺旋桨，该螺旋桨通过丝杠螺母将伺服电机的转动转换为平动从而实现螺旋桨的变径。该机构具有可精确控制、结构简单等特点，但需要增加伺服电机控制系统，为此付出的重量代价太大。

发明内容

为了克服现有主动式变桨径螺旋桨赔付重量太大的缺点，本发明提出了一种能够变桨径的螺旋桨。

本发明包括两个桨叶、桨毂、平面涡卷弹簧、同步盘、同步杆、和变径同步机构。桨毂为所述约束机构和同步机构的载体，由上盖和底座通过螺栓连接组成。在所述底座的上表面有桨叶柄滑槽；所述底座上表面的中部安放有平面涡卷弹簧。各桨叶的桨叶柄分别安放在所述涡卷弹簧两侧的桨叶柄滑槽内；变径同步机构中的同步杆铰接在两个桨叶柄的端面；所述各同步杆的另一端均与所述变径同步机构中的同步盘连接。变径约束机构中的连接套套装在在各桨叶铰接有所述同步杆一端的端头，所述各连接套的外圆周上对称的固定有一对滑块，各滑块分别与导轨配合。所述的滑轨位于底座的桨叶柄滑槽内。所述同步盘在所述底座表面的位置与安放在同步盘中的平面涡卷弹簧的位置对应，并套装在平面涡卷弹簧内连接轴上；该同步盘与平面涡卷弹簧内连接轴之间动配合。在两个桨叶柄的一端均套装有直线轴承。

所述桨叶的变径约束机构包括连接套、两个限位弹簧、两个顶珠、两个直线轴承、两对导轨和两对滑块；所述限位弹簧与顶珠固接后安放在桨叶柄靠近底座中部空腔一端的限位弹簧和顶珠的安装槽内；各两对导轨分别固定在所述的底座上表面的桨叶柄滑槽内，两对滑块分别固定在连接套上并分别与两对导轨配合；所述限位套套装在在桨叶柄上。

在所述底座的各桨叶柄滑槽内分别有两个限位卡槽，并且各限位卡槽沿所述各桨叶柄滑槽的长度方向分布，形成了内限位卡槽和外限位卡槽。

所述底座为壳体状，其中部有用于安放平面涡卷弹簧的空腔，在该空腔两侧分别有延伸的桨叶柄托板，该托板的横截面为半圆形。在所述托板的平面上开有桨叶柄滑槽，该桨叶柄滑槽沿所述托板的长度方向延伸。在所述各桨叶柄滑槽内分别安装有一对滑轨。

所述平面涡卷弹簧的两端分别有连接轴，形成了该平面涡卷弹簧的内连接轴和外连接轴。在所述内连接轴的一端有径向凸出的限位台。

本发明主要针对两叶螺旋桨，两桨叶均能实现变径且其原理相同。系统的组成包括：桨毂、桨叶、平面涡卷弹簧、变径约束机构和变径同步机构，其中桨毂分为底座和上盖两部分，桨叶对称分布，变径约束机构包括外限位卡槽、内限位卡槽和限位弹 簧顶珠、直线轴承、滑块、导轨，变径同步机构包括同步盘和两个同步杆。

本发明的零部件和整体的结构关系为：平面涡卷弹簧外侧的一端固联与桨毂底座的中央，平面涡卷弹簧另一端与同步盘连接。同步杆一端与同步盘铰接，另一端与桨叶根部铰接。两个桨叶对称分布，桨叶根部伸出的两耳片与滑块通过螺栓固定。限位弹簧顶珠与桨叶根部的“凹”空腔做活塞式往复运动。卡槽对称分布于底座上，稳定状态时限位弹簧顶珠从空腔伸出并进入卡槽。四个导轨通过螺杆分别固定于底座，滑块在导轨上滑动。直线轴承外圈通过卡簧与桨榖固定，内圈套在桨叶根部。

本发明实现螺旋桨桨径变化采用的技术方案是：随着螺旋桨转速的增加，桨叶自身产生的离心力也不断增加，当离心力克服了变径阻力时，该阻力包括限位弹簧顶珠与凹槽之间沿桨径方向的作用力F₁、平面涡卷弹簧的拉力F₂，桨叶开始由小桨径状态变为大桨径状态，当桨叶桨径至大桨径状态时，其被限位弹簧顶珠重新锁死。当转速下降到一定程度，离心力与F₁之和小于平面涡卷弹簧产生的回复力，桨叶开始由大桨径状态恢复至小桨径状态。

本发明使用过程中螺旋桨有四种状态，在旋转过程中依据桨叶自身的离心力大小控制螺旋桨的桨径大小。本发明的优点是：

1、结构简单：比一般的主动控制机构减少了伺服电机和控制器，减轻了变径机构的重量。

2、能耗少：由于采用基于离心力的自驱动变径机构，在变径过程中不需要系统提供额外的能量，有效的减小了能源系统损耗，降低能源系统重量。

附图说明

图1是本发明的外形示意图；

图2是去掉上盖的结构示意图；

图3是去掉上盖的主视图

图4是图3的剖视图；

图5是桨叶、同步杆、同步盘与窝卷弹簧之间的配合示意图；

图6是图3中B区的局部放大图；

图7是图3的C-C向视图；

图8是桨叶根部的示意图，其中8a是主视图，8b是8a的D-D向视图，8c是8a的E-E向视图；

图9是窝卷弹簧的俯视图；

图10是图9的主视图；

图11是同步盘的俯视图。图中：

1.桨叶柄；2.上盖；3.底座；4.连接套；5.同步杆；6.同步盘；7.螺栓；8.滑块；9.导轨；10.直线轴承；11.外限位卡槽；12.平面涡卷弹簧；13.限位弹簧；14.顶珠；15.内限位卡槽；16.桨叶空腔；17.内连接轴；18.外连接轴。 

具体实施方式

本发明主要针对两桨叶螺旋桨的一种变径机构，包括两个桨叶、桨毂、平面涡卷弹簧12、变径约束机构和变径同步机构。所述桨叶的变径约束机构包括限位弹簧13、顶珠14、内限位卡槽15、外限位卡槽11、直线轴承10、导轨9和滑块8，所述变径同步机构包括同步盘6和两个同步杆5。

桨毂为所述约束机构和同步机构的载体，由上盖2和底座3通过螺栓连接组成。在所述底座3长度方向的中心有用于安放平面涡卷弹簧12的空腔，所述平面涡卷弹簧安放在该空腔内。两个桨叶的桨叶柄1分别安放在所述底座3中部空腔两侧的桨叶柄滑槽内；在两个桨叶柄的端面分别铰接有所述同步杆5；各同步杆的另一端分别与所述同步盘6通过螺栓连接。在各桨叶铰接有同步杆一端的端头均套装有连接套4，各连接套的外圆周上对称的固定有一对滑块，各滑块的下表面分别有与滑轨配合的滑槽。所述的滑轨位于底座3的桨叶柄滑槽内。

所述同步盘6在所述底座3表面的位置与安放在同步盘中的平面涡卷弹簧的位置对应，并套装在平面涡卷弹簧内连接轴上；该同步盘6与平面涡卷弹簧内连接轴之间动配合。

所述桨叶的叶片分别位于所述底座3中部空腔两侧的桨叶柄滑槽外。

在所述两个桨叶柄1靠近底座3中部空腔一端分别有限位弹簧13和顶珠14的安装槽，安装所述限位弹簧13和顶珠14时，使限位弹簧13位于该安装槽的槽底，使顶珠14安放在该安装槽的槽口；限位弹簧13的外端面与顶珠14的内端面贴合。

在所述底座的各桨叶柄滑槽内分别有两个限位卡槽，并且各限位卡槽沿所述各桨叶柄滑槽的长度方向分布，形成了内限位卡槽15和外限位卡槽11。

当所述两个桨叶柄1分别沿底座移动使螺旋桨的桨径达到所需的直径后，装在各桨叶柄上的顶珠14进入所述内限位卡槽15或外限位卡槽11内，并通过限位弹簧13 顶紧。

在两个桨叶柄的一端均套装有直线轴承10，并使该直线轴承的外圈通过卡簧与底座3固定。

所述底座3为壳体状，其中部有用于安放平面涡卷弹簧12的空腔，在该空腔两侧分别有延伸的桨叶柄托板，该托板的横截面为半圆形。在所述托板的平面上开有桨叶柄滑槽，该桨叶柄滑槽沿所述托板的长度方向延伸。在所述各桨叶柄滑槽内分别安装有一对滑轨。

所述平面涡卷弹簧12是对现有技术改进后得到的。所述平面涡卷弹簧的两端分别有连接轴，形成了该平面涡卷弹簧的内连接轴17和外连接轴18。在所述内连接轴17的一端有径向凸出的限位台，并且该端的端头处的外圆周表面为螺纹面。装配时，将同步盘12的中心孔套装在内连接轴17有螺纹面一端，并使该同步盘的一个端面与所述的限位台的端面对应；在内连接轴的端头安装有螺母，通过所述限位台和螺母限定所述同步盘的轴向位置。内连接轴17与同步盘6之间有深沟球轴承，以减小两者之间相对转动时产生的摩擦力。

所述外连接轴18顶端的外圆周表为螺纹面。外连接轴穿过同步盘，并与该同步盘之间紧密配合；在所述外连接轴的螺纹面上安装螺母，以限定该外连接轴的轴向位置。当同步盘转动绕内连接轴时，通过外连接轴18带动平面涡卷弹簧12转动。

所述顶珠14的外形呈“凸”字形。该顶珠的大直径端与限位弹簧13配合；该顶珠的小直径端与各桨叶柄滑槽内的限位卡槽配合。所述顶珠小直径端的端头处的外表面为斜面。与之配合的各桨叶柄滑槽内的限位卡槽中，槽的一侧侧壁亦为斜面，以方便顶珠进入或滑出限位卡槽。

桨叶为对称的一对，桨叶主要分为三个部分，产生气动力的桨叶柄部分1，与滑块8相联的连接套4，还有容纳约束限位弹簧13与顶珠14运动的桨叶空腔16。

桨叶的变径约束机构包括限位弹簧13、顶珠14、内限位卡槽15、外限位卡槽11、直线轴承10、导轨9、滑块8，其中每种卡槽都有两个且对称分布于桨毂底座3的两边，限位弹簧13与顶珠14连接，通过所述限位弹簧13与顶珠14，与桨叶空腔16形成稳定的往复运动，当桨叶运动到要求的位置并处于稳定状态时，顶珠14伸出并卡入卡槽之中，直线轴承10外圈通过卡簧与桨榖固定，内圈套在桨叶根部，与桨叶之间形成平动副。导轨9和滑块8分别有四个，导轨9通过螺杆固定于底座3，滑块8与导 轨9构成平动副的同时与连接套4固联。变径同步机构由同步盘6、两个同步杆5及螺栓7组成。平面涡卷弹簧12外侧的一端固联与桨毂底座3，其另一端与同步盘6连接。同步杆5一端与同步盘6铰接，另一端与桨叶根部铰接。如图9和图10所示，特制的窝卷弹簧12内外两侧各有两个用于连接的柱子，外侧柱子与同步盘6铰链，内侧柱子一端固定于底座3，另一端使得同步盘6与内侧柱子形成转动副。特制的窝卷弹簧12内外两个连接轴穿过同步盘6中心的孔，使得同步盘6只能产生绕内连接轴转动。同步盘6通过两个小孔与同步杆5铰接。

通过本实施例，能够实现桨叶桨径从最小到最大的变化：

最小桨径时： 

静止时限位弹簧13处于受压状态，其推动顶珠14从桨叶空腔中伸出，并使顶珠14卡入内限位卡槽15之中。当螺旋桨的转速从零开始增大，桨叶产生的离心力使其有甩出的趋势，导致顶珠14与内限位卡槽15之间有相互的作用，进而压缩限位弹簧13。在螺旋桨转速不超过某个阀值时，这种相互作用的力并不能将限位弹簧13压缩到最短，顶珠14也就不能从内限位卡槽15中弹出，故桨叶保持小桨径状态。

桨径变大时： 

当螺旋桨的转速达到某个阀值时，限位弹簧13被压缩至很短，此时顶珠14从内限位卡槽15中弹出，桨叶自身的离心力大于平面涡卷弹簧的拉力，故桨叶沿着导轨9的方向向外运动。两个桨叶中的任何一个有直径变化的趋势都会带动同步盘产生旋转的趋势，直到另一个桨叶达到变径条件时机构才开始变径。

最大桨径时： 

完成变大径状态后，桨叶甩至大桨径位置时，限位弹簧13压缩产生的弹力会将顶珠14推入外限位卡槽中，此时桨叶保持大桨径状态。外限位卡槽外侧的斜坡角度为90度，在机构失效之前无论离心力如何增大桨叶直径也不会变大。

桨径变小时： 

当螺旋桨的转速降低到某个阀值时，限位弹簧13被压缩到很短，此时顶珠14从外限位卡槽中弹出，桨叶自身的离心力小于平面涡卷弹簧的拉力，故桨叶沿着导轨9的方向收缩。两个桨叶中的任何一个有直径变化的趋势都会带动同步盘产生旋转的趋势，直到另一个桨叶达到变径条件时机构才开始变径。顶珠14卡入内限位卡槽15处，桨叶恢复至小桨径状态。

Claims (5)

1.一种能够变桨径的螺旋桨，包括两个桨叶和桨毂，其特征在于，还包括平面涡卷弹簧、变径约束机构和变径同步机构；

桨毂包括上盖和底座，为所述约束机构和同步机构的载体；在所述底座的上表面有桨叶柄滑槽；所述底座上表面的中部安放有平面涡卷弹簧；各桨叶的桨叶柄分别安放在所述涡卷弹簧两侧的桨叶柄滑槽内；变径同步机构中的同步杆铰接在两个桨叶柄的端面；所述各同步杆的另一端均与所述变径同步机构中的同步盘连接；变径约束机构中的连接套套装在在各桨叶铰接有所述同步杆一端的端头，所述各连接套的外圆周上对称的固定有一对滑块，各滑块的下表面分别有与滑轨配合的滑槽；所述的滑轨位于底座的桨叶柄滑槽内；所述同步盘在所述底座表面的位置与安放在同步盘中的平面涡卷弹簧的位置对应，并套装在平面涡卷弹簧内连接轴上；该同步盘与平面涡卷弹簧内连接轴之间动配合；在两个桨叶柄的一端均套装有直线轴承。

2.如权利要求1所述能够变桨径的螺旋桨，其特征在于，所述桨叶的变径约束机构包括连接套、两个限位弹簧、两个顶珠、两个直线轴承、两对导轨和两对滑块；所述限位弹簧与顶珠固接后安放在桨叶柄靠近底座中部空腔一端的限位弹簧和顶珠的安装槽内；各两对导轨分别固定在所述的底座上表面的桨叶柄滑槽内，两对滑块分别固定在连接套上并分别与两对导轨配合；所述限位套套装在桨叶柄上。

3.如权利要求1所述能够变桨径的螺旋桨，其特征在于，在所述底座的各桨叶柄滑槽内分别有两个限位卡槽，并且各限位卡槽沿所述各桨叶柄滑槽的长度方向分布，形成了内限位卡槽和外限位卡槽。

4.如权利要求1所述能够变桨径的螺旋桨，其特征在于，所述底座中部有用于安放平面涡卷弹簧的空腔，在该空腔两侧分别有延伸的桨叶柄托板，该托板的横截面为半圆形；在所述托板的平面上开有桨叶柄滑槽，该桨叶柄滑槽沿所述托板的长度方向延伸；在所述各桨叶柄滑槽内分别安装有一对滑轨。

5.如权利要求1所述能够变桨径的螺旋桨，其特征在于，所述平面涡卷弹簧的两端分别有连接轴，形成了该平面涡卷弹簧的内连接轴和外连接轴；在所述内连接轴的一端有径向凸出的限位台。