CN102381469B - 用于飞行器的螺旋桨 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于飞行器的螺旋桨。本发明的一方面提供了一种用于飞行器的螺旋桨100，300。该螺旋桨100，300包括：螺旋桨桨毂102，302；用于使螺旋桨100，300流线型化的毂盖104，304；以及安装到所述螺旋桨桨毂102，302上的多个复合螺旋桨叶片106，306。螺旋桨叶片106，306被布置成在基本上垂直于螺旋桨100，300的旋转轴线112，312的至少两个平行平面108，110，308，310中在相同旋转方向中一起旋转。该螺旋桨100，300具有减小大小的毂盖104，304，其具有可更好地与发动机机舱116，316匹配且还具有减小的阻力的改进的空气动力学轮廓。

Description

用于飞行器的螺旋桨

技术领域

本发明大体而言涉及用于飞行器的螺旋桨。更特定而言，本发明涉及具有多个复合螺旋桨叶片的螺旋桨。

背景技术

在航空中已知使用具有一个或多个螺旋桨叶片的螺旋桨来生成空气流，机身可对空气流做出反应，例如以便生成向前的推力来推进飞行器[1]。还已知这种螺旋桨可具有可变桨距，使得可调整螺旋桨叶片相对于空气流的迎角，以便在以任何特定速度操作时优化螺旋桨性能[2-5]。

近来，螺旋桨叶片设计的改进导致用于形成叶片[6]的复合材料的增加的使用；这些复合材料在与常规金属螺旋桨叶片相比时具有重量优点。

但是，尽管复合螺旋桨叶片具有若干优点，用于形成它们的材料必须被成形为便于提供在形状方面从翼型部段到支承叶片根部的大体上平滑且逐渐的过渡，因为所用纤维不能在不失去大量其机械强度的情况下被制成突然改变方向。这与金属叶片不同，且意味着通常复合叶片的非翼型部的长度大于具有相当的空气动力学性能的金属叶片。

此外，将在可变桨距螺旋桨中使用的复合叶片需要大体上圆形截面的根部部分来与已知桨距变化轴承接合。因此对于给定翼型大小，具有复合叶片的可变桨距螺旋桨将通常具有比金属叶片等效物大很多的直径，这归因于从翼型到大体上圆形截面的根部的过渡的长度。这导致了螺旋桨的这样的复合形式：其需要相对较大的毂盖大小且伴随阻力的增加，以及在试图优化总体飞行器空气动力学性能时造成使毂盖与飞行器机舱匹配的设计难度。

发明内容

因此在考虑到与已知复合飞行器螺旋桨相关联的上述缺陷的同时来设计本发明。

根据本发明的一方面，提供一种用于飞行器的螺旋桨。该螺旋桨包括：螺旋桨桨毂；毂盖，其用于使螺旋桨流线型化；以及，多个复合螺旋桨叶片，其安装到所述螺旋桨桨毂。所述螺旋桨叶片被布置成在基本上垂直于螺旋桨的旋转轴线的至少两个平行平面中在相同旋转方向中一起旋转。

通过提供安装于至少两个平行平面中的这样的多个复合螺旋桨叶片，可提供本发明的各种方面和实施例，其具有减小直径的毂盖，该毂盖具有改进的空气动力学轮廓，改进的空气动力学轮廓可与发动机机舱匹配且对于可变桨距螺旋桨和不变桨距螺旋桨两者都具有减小阻力的轮廓。

附图说明

现将结合附图来描述本发明的各种方面和实施例，在附图中：

图1示出了说明根据本发明的一个实施例的螺旋桨的示意图；

图2示出了穿过常规螺旋桨布置所截取的截面图；

图3示出了穿过根据本发明的一个实施例的螺旋桨布置所截取的截面图；

图4示出了穿过图3所示的螺旋桨布置截取的纵截面图。

具体实施方式

图1示出了说明根据本发明的一个实施例的用于飞行器的螺旋桨100的示意图。该螺旋桨100包括螺旋桨桨毂102，其由容纳于机舱116中的飞行器发动机(未图示)可旋转地驱动。

提供毂盖104，其包围螺旋桨桨毂102，用于使螺旋桨100流线型化。在此实施例中，毂盖104固定到螺旋桨桨毂102，使得当螺旋桨桨毂102由飞行器发动机驱动时它们一起旋转。毂盖104在可旋转的螺旋桨100与固定位置机舱116之间提供了流线型界面，该毂盖104通常为锥形，具有由φ表示的最大直径。

多个复合螺旋桨叶片106安装到螺旋桨桨毂102上且穿过毂盖104突伸，使得毂盖104对在叶片106的根部120附近流动的空气提供流线型化。举例而言，叶片106可包括编织纤维材料，诸如碳纤维和玻璃纤维中的一种或多种。某些优选实施例使用碳加强的环氧树脂复合物，这归因于其强度性质。

在此实施例中，叶片106(为了清楚起见仅示出其中的两个)的根部120由桨距变化轴承114安装到螺旋桨桨毂上。举例而言，被设计用于BombardierDash^TM8Q400的当前螺旋桨是六叶片设计，其中这种技术可用于给予减小的桨毂直径和到翼型部段的更迅速的径向过渡。但是，可使用各种轴承114，诸如，例如由RPP(Revolvo^TM)制造的那些轴承。备选地，各种有角度接触型轴承可用于内推力圈，且径向型滚柱轴承适用于外圈中。

桨距变化轴承114，以及其相关联的螺旋桨叶片106，提供于两个邻近平面中，即由d表示的轴向分隔距离分开的第一平面108和第二平面110。第一平面108提供于距机舱116较远处且第二平面110位于在纵向上更靠近机舱116处。桨距变化轴承114的形状通常为圆柱形且具有在图1中表示为x的直径。螺旋桨叶片106因此被布置成在第一平面108和第二平面110中在相同旋转方向中一起旋转，其中平面108、110基本上垂直于螺旋桨100的旋转轴线112。

在各种优选实施例中，平面108、110的数量为两个。这是优选的，因为其提供相对易于维护和检查的简化螺旋桨构造。但是，本发明的实施例并不仅限于使用两个这样的平面，且可使用多于两个。

仅出于清楚目的，在图1中示出五个桨距变化轴承114，以便示意性地说明本发明的各个实施例可如何在轴向方向上提供增加的叶片组装密度。因为邻近平面108、110中的相邻叶片106可在周向上相对于彼此偏移，叶片106的根部120在轴向上紧邻地组装，例如使得d＜x。这种增加的叶片组装密度使得能使用减小直径的螺旋桨桨毂102，且因此对应地减小直径的毂盖104也可用于使该螺旋桨桨毂102流线型化。

在每个相应平面108、110中可提供相等数量的叶片106。这简化了螺旋桨设计且确保最佳平衡，从而使不均衡磨损和振动减到最小。

可选择在任何特定平面108、110中的叶片数量N，使毂盖直径φ与叶片根部120或桨距变化轴承直径x的比例R为使得1≤R≤2，其中但优选地且N＝2、3或4，使得可由具有小直径毂盖104的螺旋桨100提供最佳推力生成。

图2示出穿过常规螺旋桨布置200所截取的截面图。螺旋桨200包括布置成共面六边形构造的六个螺旋桨叶片206。为了有助于清楚，仅示出叶片206中的三个。

螺旋桨叶片206使用桨距变化轴承214安装到螺旋桨桨毂202上。绕螺旋桨桨毂202提供毂盖204，在其径向外部，叶片206设有翼型轮廓，该翼型轮廓可为了螺旋桨性能而被优化。叶片206具有设于桨距变化轴承214内的圆形截面的端部部分，其在相应叶片过渡区207处过渡到翼型轮廓。

每个叶片206设有相关联的配重臂218。配重臂218连接到相应叶片206且在相关联的叶片206与最近的相邻叶片206之间设置于螺旋桨200的旋转平面内。提供相应配重219，其在距配重臂218所附连的叶片206较远处连接到配重臂218上。这些配重219可例如由烧结钨制成。

在操作中，配重219和配重臂218为叶片206提供平衡扭矩力，以便使控制负荷减到最小，且也提供对叶片自动粗化(coarsening)的机构来在主控制系统故障的情况下使空气动力学阻力减到最小。所生成的平衡扭矩力的量值取决于组合的配重219和配重臂218的重量分配和长度。

在图2中还示出圆222，其覆盖被提供为六边形构造的相应桨距变化轴承214的六个碰触(touching)的叶片根部套筒。螺旋桨桨毂202的大小必须足够大以容纳此构造且因此叶片根部套筒的几何构造有效地限制螺旋桨桨毂202以及因此还有毂盖204的最小大小。在此构造中，对于六个叶片206，圆222的直径为单独的叶片根部套筒的直径的二倍，且因此螺旋桨桨毂202和毂盖204两者的直径不能小于此值。

图3示出了穿过根据本发明的一个实施例的螺旋桨300的第一平面308所截取的截面图。螺旋桨300包括六个螺旋桨叶片306、306′。螺旋桨叶片306中的三个被布置成在第一平面308中呈共面等边三角形构造，且另外三个叶片306′被布置成在第二平面310中呈共面等边三角形构造(也参看图4，例如)，第二平面310与第一平面308在轴向上偏移。

在图3所示的第一平面308中的叶片306由叶片分隔角θ有角度地分隔，该分隔角在此实施例中对于所有叶片306以120°相等。在第一平面308中的叶片306相对于第二平面310中的叶片306′以周向偏移γ有角度地偏移，其在此实施例中对于所有叶片306′等于60°。

但是，在备选实施例中，θ在任何特定平面中提供的叶片之间可不同，从而可通过消除各种谐波震动现象来实现降噪。举例而言，三个叶片可提供为分别以θ＝119°，120°和121°而分隔。出于类似目的，也可对周向偏移做出各种修改，使得θ和γ中的一个或两个可用于修整螺旋桨的噪声分布、空气动力学性能、振动特征等。

螺旋桨叶片306、306′使用桨距变化轴承314安装到螺旋桨桨毂302上。绕螺旋桨桨毂302提供毂盖304，在其径向外部，叶片306、306′设有翼型轮廓，该翼型轮廓可为了螺旋桨性能而被优化。毂盖304在轴向安装到螺旋桨桨毂302上且被构造成通过使空气流远离安装于螺旋桨桨毂302中的螺旋桨叶片306、306′的根部段偏转而提供螺旋桨300的空气动力学轮廓。

叶片306、306′具有提供于叶片根部套筒内的圆形截面的端部部分320，其形成桨距变化轴承314的部分。可使叶片根部套筒比相当的单平面螺旋桨布置(例如，诸如图2所示的那种)更靠近螺旋桨轴线312。这意味着也可使叶片306、306′从根部到翼型部段的过渡区更靠近螺旋桨桨毂302的中心，允许螺旋桨300在径向方向上进一步紧凑。

在第一平面308中的每个叶片306设有相关联的配重臂318。配重臂318连接到相应叶片306且在相关联的叶片306与其最近的相邻叶片306之间设置于螺旋桨300的第一旋转平面308内。也可提供相应配重(未图示)，其在距配重臂318所附连的叶片306较远处连接到配重臂318。

此外，由于配重臂318可被制成比相当的单平面螺旋桨(例如，诸如图2中所描绘的螺旋桨)更长，可行的是免除了在第二平面310中的叶片306′之间提供配重的需要，因为对于给定重量，更长的臂提供更大的平衡扭矩力。因此与常规螺旋桨相比，螺旋桨300不仅得到简化而且也具有减小的总重量。因此，这种简化的构造具有改进操作可靠性和减少维护时间/成本的益处，因为螺旋桨构件被制成可更容易接近和检查。

在图3中示出了圆322，其覆盖在第一平面308中提供的相应桨距变化轴承314的三个碰触的叶片根部套筒。螺旋桨桨毂302的大小必须足够大以容纳此构造且因此叶片根部套筒的几何构造有效地限制螺旋桨桨毂302以及因此还有毂盖304的最小大小。在此等边三角形构造中，对于三个叶片306，圆322的直径为单独的叶片根部套筒的直径的大约1.16倍，且因此与常规螺旋桨(诸如图2中的螺旋桨)相比，这种构造在径向更紧凑。因此与常规螺旋桨相比，306、306′，螺旋桨桨毂302和毂盖304的直径可减小，允许与发动机机舱有更好的空气动力学匹配以及在使用中阻力更小。

图4示出了沿着线A-A所截取的穿过图3的螺旋桨300得到的纵截面图。叶片306提供于第一平面308中。叶片306′提供于第二平面310中。在操作中，螺旋桨300绕旋转轴线312旋转，使得螺旋桨叶片306、306′在相同旋转方向中一起旋转。

通过提供这种螺旋桨300，可在叶片306、306′进入空气流的点处提供叶片306、306′的更薄翼型部段。这提供进一步的空气动力学效率改进以及减小噪音的螺旋桨。在各种实施例中，本申请人还发现这种螺旋桨布置使得能实现机舱直径30％的减小。

在各种备选实施例中，叶片306、306′可在轴向交错，使得平面308、310之间的分隔小于单独的叶片根部套筒的直径。

对于各种实施例，所提供的叶片和/或平面的数量并不是限制性的。举例而言，叶片根部可彼此靠近布置，且两个叶片提供于至少一个平面中。但是，由于实际原因，叶片总量可能限于(例如)四个、六个、八个、十个或十二个。在某些实施例中，优选地例如在两个平面中提供六个或八个叶片，以便优化螺旋桨空气动力学效率。有利地，也可提供具有经修整的和/或减小的操作噪声分布的各种实施例。

本领域技术人员还将认识到可提供根据本发明的螺旋桨的各种实施例。举例而言，虽然本文所描述的优选实施例使用可变桨距螺旋桨叶片，但本领域技术人员将意识到也可使用固定桨距螺旋桨叶片。这些固定桨距螺旋桨叶片可例如使用已知螺旋桨叶片固持机构[6]安装到螺旋桨桨毂上。

Claims (10)

1.一种用于飞行器的螺旋桨(100，300)，包括

螺旋桨桨毂(102，302)，安装到所述螺旋桨桨毂上的桨距变化轴承；

用于使所述螺旋桨(100，300)流线型化的毂盖(104，304)；以及

安装到所述螺旋桨桨毂(102，302)上的多个复合螺旋桨叶片(106，306)，其中所述螺旋桨叶片(106，306)被布置成在基本上垂直于所述螺旋桨(100，300)的旋转轴线(112，312)的至少两个平行平面(108，110，308，310)中在相同旋转方向中一起旋转；

其中，所述至少两个平行平面中的两个邻近平面之间的轴向分隔距离小于桨距变化轴承直径。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，在邻近平面(108，110，308，310)中的相邻叶片(106，306)在周向上相对于彼此偏移(γ)。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，所述叶片(106，306)的根部在轴向上紧邻地组装。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，在至少一个平面(108，110，308，310)中的叶片(106，306)的分隔角(θ)与在另一平面(108，110，308，310)中的叶片(106，306)的分隔角(θ)不同。

5.根据权利要求1或2所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，在每个相应平面(108，110，308，310)中提供相等数量的叶片(106，306)。

6.根据权利要求1或2所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，在任一平面(108，110，308，310)中的相应叶片(106，306)由相同分隔角(θ)分隔。

7.根据权利要求1或2所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，所述叶片(106)是可变桨距叶片且相应叶片(106，306)的根部(120，320)固持于容纳在所述螺旋桨桨毂(102，302)内的相应的桨距变化轴承(114，314)中。

8.根据权利要求7所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，选择在特定平面(108，110，308，310)中的叶片的数量(N)，使毂盖直径(φ)与桨距变化轴承直径(x)的比例(R)使得1≤R≤2，其中

9.根据权利要求1或2所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，至少一个配重臂(318)提供于所述平面(308，310)中的至少一个平面中的叶片(306)之间。

10.根据权利要求9所述的螺旋桨(100，300)，其特征在于，所述至少一个配重臂(318)仅提供于单个平面(308)中。