本發(fā)明涉及用于飛機(jī)的螺旋槳或旋翼領(lǐng)域，具體為一種用于涵道式垂直起降飛行器的低噪音旋翼。

背景技術(shù)：

1、涵道式飛行汽車(chē)是一種將螺旋槳與動(dòng)力裝置包裹在橫截面具有一定厚度與形狀的涵道機(jī)匣內(nèi)部的飛行汽車(chē)，因涵道的設(shè)計(jì)使得其旋翼對(duì)噪聲的抑制效果良好，但其對(duì)于低頻噪聲的抑制能力相對(duì)較弱以及增加涵道而帶來(lái)的升力水平要求的提高等問(wèn)題仍需進(jìn)一步解決。

2、涵道式飛行汽車(chē)工作時(shí)的主要噪聲來(lái)源由三部分，分別是旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲、槳葉高速旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的單極子與偶極子聲源，以及涵道底部出射尾流對(duì)周?chē)o止空氣沖擊與剪切產(chǎn)生的噴流噪音。而涵道的存在則對(duì)噪音起到了一定的阻隔作用，因此湍流噪聲成為了整個(gè)飛行汽車(chē)的主要噪聲來(lái)源。而通過(guò)對(duì)剪切層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可起到調(diào)整湍流的產(chǎn)生和發(fā)展的作用，從而有效地控制速度剪切層地湍流特性，從而降低射流噪聲。同時(shí)，由于涵道的引入，使得飛行汽車(chē)的整體重量增加，因此所需的升力也有所提升，在不改變涵道旋翼的結(jié)構(gòu)的前提下，將使得旋翼的工作轉(zhuǎn)速提升，間接地導(dǎo)致噪音的產(chǎn)生，所以研究通過(guò)改變涵道旋翼結(jié)構(gòu)來(lái)提高同等轉(zhuǎn)速下的升力水平也值得被關(guān)注。

3、旋翼降噪的主要手段包括對(duì)旋翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。在涵道旋翼上引入仿生鋸齒等設(shè)計(jì)可有效地降低噪聲水平并提高升力水平，但目前并沒(méi)有針對(duì)涵道旋翼采用的仿生學(xué)鋸齒或下表面突起陣列等的降噪研究與措施?，F(xiàn)有的對(duì)于旋翼降噪的研究主要集中于普通旋翼葉片的鋸齒化研究，例如，王兵利用貓頭鷹的三種生物特性（尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)、前緣突起結(jié)構(gòu)、翅膀下表面紋理結(jié)構(gòu)）進(jìn)行無(wú)人機(jī)旋翼的降噪改進(jìn)，但這三者分別應(yīng)用僅對(duì)噪聲降低或升力提升有一定作用，而不能同時(shí)兼顧降噪水平與升力水平的提高。楊成浩等在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上游靜葉片添加不同高度尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)，并采用數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證。后緣鋸齒會(huì)在齒根部位產(chǎn)生微射流從以減小逆射流的影響，減弱非定常干涉效應(yīng)，在1bpf和2bpf處分別降低8.7db和11.8db，在降低噪聲的同時(shí)提升氣動(dòng)性能，但下游葉片前緣會(huì)受到逆壓梯度和逆射流雙重影響而增大噪聲，使得整體的噪聲水平改善較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種降低噪音、提升升力的飛行器，本發(fā)明公開(kāi)了一種用于涵道式垂直起降飛行器的低噪音旋翼。

2、本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案達(dá)到發(fā)明目的：

3、一種用于垂直起降飛行器的涵道式低噪音旋翼，包括涵道本體、支撐架、轉(zhuǎn)軸和旋翼，涵道本體為環(huán)形殼體，支撐架為鏤空形，支撐架通過(guò)外端固定在涵道本體的內(nèi)側(cè)面上，轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)于支撐架的中心處，旋翼為中心對(duì)稱(chēng)形，旋翼通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)軸連接固定，涵道本體、支撐架、轉(zhuǎn)軸和旋翼這四者的中心軸線互相重合，其特征是：

4、旋翼的攻角(2)不大于2°；

5、旋翼設(shè)有下反角和尖削，設(shè)旋翼的外端至中心的距離為r，則：

6、下反角位置為旋翼外端起0.85r處始至旋翼中心處止，下反角為-5°～-10°；尖削位置為旋翼外端起0.7r處始至旋翼中心處止，旋翼的尖削比為0.5～0.7；

7、旋翼旋轉(zhuǎn)面的直徑為2.1r，旋翼的平均弦長(zhǎng)為0.2r，即旋翼的表面積與旋翼翼展的比值，旋翼后端的平均厚度為0.04r。

8、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式低噪音旋翼，其特征是：

9、旋翼的上表面和下表面都設(shè)有凸起結(jié)構(gòu)，凸起結(jié)構(gòu)是由凸起單元按縱橫對(duì)齊或縱橫交錯(cuò)排列構(gòu)成的陣列，凸起單元為底面是正三角形的正三棱錐或橫截面是等腰三角形的正三棱柱；當(dāng)凸起單元為正三棱錐時(shí)，凸起單元以底面作為貼合面固定在旋翼的下表面上使凸起單元的頂點(diǎn)朝向旋翼外部；當(dāng)凸起單元為正三棱柱時(shí)，凸起單元以頂面和底面的底邊所在的側(cè)面作為貼和面固定在旋翼的下表面上，以凸起單元頂面和底面的頂點(diǎn)所在的側(cè)棱作為頂邊朝向旋翼外部。

10、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式低噪音旋翼，其特征是：

11、凸起結(jié)構(gòu)從接近旋翼外端處始至接近旋翼中心處止，凸起結(jié)構(gòu)始端處旋翼的弦長(zhǎng)為0.6r，凸起結(jié)構(gòu)止端處旋翼的弦長(zhǎng)為0.95r；

12、各個(gè)凸起單元的高度按凸起單元和旋翼外端的距離成比例設(shè)置從最低2.5mm至最高19.3mm。

13、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式低噪音旋翼，其特征是：

14、當(dāng)凸起單元為正三棱錐時(shí)，凸起單元頂點(diǎn)處三個(gè)等腰三角形側(cè)面的頂角θ都為12°～16°，以相鄰兩個(gè)凸起單元頂點(diǎn)之間的距離為中心距s，s取10mm，以凸起單元底面正三角形的高為厚度h，h取0.83mm；

15、當(dāng)凸起單元為正三棱柱時(shí)，凸起單元頂邊處兩個(gè)矩形側(cè)面形成的夾角θ為12°～16°，以相鄰兩個(gè)凸起單元頂邊之間的距離為中心距s，s取10mm，以凸起單元底面正三角形的高為厚度h，h取0.83mm。

16、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式低噪音旋翼，其特征是：

17、涵道本體包括前唇口和后椎體，前唇口為母線是弧線的旋轉(zhuǎn)殼體，后椎體為圓臺(tái)形殼體，前唇口的后端面和后椎體的大圓端面光滑連接；

18、支撐架為星形，支撐架各個(gè)外端點(diǎn)的連線構(gòu)成以轉(zhuǎn)軸為中心的涵道本體內(nèi)側(cè)壁的內(nèi)接正多邊形。

19、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式低噪音旋翼，其特征是：

20、設(shè)前唇口母線的半徑為r，前唇口前端面的內(nèi)徑d為9r～9.5r，前唇口后端面的內(nèi)徑d為10r～11r，涵道本體的厚度δ不超過(guò)0.2r，后椎體的錐角β為5°～10°；

21、支撐架的最大厚度為支撐架四個(gè)頂點(diǎn)連線構(gòu)成的正方形邊長(zhǎng)的12%～20%。

22、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式旋翼，其特征是：

23、支撐架為十字形，支撐架的最大厚度為支撐架四個(gè)頂點(diǎn)連線構(gòu)成的正方形邊長(zhǎng)的18%，旋翼旋轉(zhuǎn)面的直徑為2.05r。

24、所述的用于垂直起降飛行器的涵道式旋翼，其特征是：還包括頂蓋和螺母，轉(zhuǎn)軸的外側(cè)面上設(shè)有和所述螺母內(nèi)螺紋互相匹配的外螺紋，頂蓋的中部設(shè)有通孔，頂蓋通過(guò)中部通孔套入轉(zhuǎn)軸后將所述螺母旋入轉(zhuǎn)軸以將頂蓋和轉(zhuǎn)軸固定，從而將旋翼緊固在轉(zhuǎn)軸上；頂蓋的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步保持旋翼具有更好的動(dòng)平衡性能，同時(shí)也方便使用，可以預(yù)先組裝整個(gè)旋翼，也可以臨時(shí)組裝。

25、本發(fā)明受貓頭鷹翅膀羽毛結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，根據(jù)飛行汽車(chē)涵道旋翼的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)并制作了旋翼3下表面陣列形式的凸起結(jié)構(gòu)4，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)組合進(jìn)行了調(diào)試。凸起結(jié)構(gòu)4能有效提高升力的原因主要與其對(duì)氣流的影響和壓強(qiáng)分布的改變有關(guān)。此外，下表面的凸起結(jié)構(gòu)4能夠改變旋翼3下表面的氣流流動(dòng)特性。當(dāng)氣流流經(jīng)凸起結(jié)構(gòu)4時(shí)，首先，凸起結(jié)構(gòu)4會(huì)引導(dǎo)氣流在旋翼3下表面的附著狀態(tài)，延緩下表面氣流的脫離，增加凸起結(jié)構(gòu)4處表面渦流，進(jìn)而增大旋翼3下表面的壓力。其次，凸起結(jié)構(gòu)4使得氣流在旋翼3下表面的流速減小，在旋翼3上表面的流速增加，而這種速度差異導(dǎo)致了旋翼3上下兩側(cè)的氣壓差，從而產(chǎn)生升力。實(shí)驗(yàn)證明，相對(duì)普通涵道旋翼，采用本發(fā)明的旋翼3在相同的飛行條件下可以有效地抑制起飛與降落時(shí)產(chǎn)生的噪音。此外，本發(fā)明運(yùn)行時(shí)，旋翼(3)在轉(zhuǎn)軸(22)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣流從涵道本體1前唇口11處流入，在旋翼(3)的驅(qū)動(dòng)下氣流被加速并經(jīng)后錐體12推向涵道本體(1)的尾部流出。在此過(guò)程中，旋翼(3)下表面的凸起結(jié)構(gòu)4的設(shè)計(jì)使得旋翼3的啟動(dòng)性能有所提升，在提供相同的升力條件下，所需轉(zhuǎn)速要求有所降低，也間接地起到降噪的作用。

26、本發(fā)明的涵道式旋翼也具有可移植性，除了用于飛行汽車(chē)外，還可用于其他需要降噪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如風(fēng)扇葉片，軸流風(fēng)機(jī)等，均能有效降低氣動(dòng)噪聲。

27、本發(fā)明具有如下有益效果：

28、本發(fā)明對(duì)翼型厚度、翼型攻角、翼型尖削及對(duì)翼型下反均進(jìn)行了設(shè)計(jì)；在翼型的下表面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了突起結(jié)構(gòu)陣列，下表面突起陣列有效地改善了旋翼尾緣處的壓力分布，以及氣流在旋翼下表面處的附著狀態(tài)，對(duì)于升力水平有顯著提升。這些措施對(duì)涵道式飛行汽車(chē)的噪聲有顯著的抑制作用，同時(shí)也提升了其升力水平。用于飛行汽車(chē)使飛行時(shí)更為安靜，更適用于城市等高音敏區(qū)域的飛行，擁有著廣闊的應(yīng)用前景。