一种唇口及扩散角可变式高效涵道

摘要

本发明涉及一种唇口及扩散角可变式高效涵道，所述涵道采用柔性涵道壁材料，在涵道壁外侧上端和下端固定有至少一道作动筒，作动筒另一端连接在定位台架上。在涵道的扩散口上方侧壁安装数值传感器，用于感知气流是否因出口扩散角增大而发生了分离，并将传感器信号反馈给ECU(Electronic Control Unit电子控制单元)。涵道内壁部分区域或全部具备凹坑形貌。凹坑形貌可以为微电子机械系统(MEMS)组成的可调凹坑软贴片。本发明所述涵道可实时调节唇口和尾部扩散角，不仅可提高涵道螺旋桨的效率，而且能够在不改变其他控制条件的情况下改变涵道拉力，提高控制的准确性，减小飞行器控制中的耦合作用。

权利要求

1.一种唇口及扩散角可变式高效涵道，其特征在于，所述涵道采用柔性涵道壁材料，在涵道壁外侧上端和下端分别固定有至少一道作动筒（5、6），作动筒另一端连接在定位台架（4）上，作动筒由电子控制单元控制。

2.根据权利要求1所述的一种唇口及扩散角可变式高效涵道，其特征在于，所述涵道内壁（3）部分或全部区域具备凹坑形貌。

3.根据权利要求2所述的一种唇口及扩散角可变式高效涵道，其特征在于，所述凹坑形貌为微电子机械系统组成的可调凹坑软贴片（32）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种唇口及扩散角可变式高效涵道，其特征在于，在涵道的扩散口上方侧壁安装数值传感器（9），并将传感器（9）信号反馈给电子控制单元。

5.根据权利要求1所述的一种唇口及扩散角可变式高效涵道，其特征在于，所述作动筒至少为六个，在涵道圆周内均匀分布。

6.根据权利要求1所述的一种唇口及扩散角可变式高效涵道，其特征在于，作动筒为液压缸，或者步进电机和丝杠。

说明书

一种唇口及扩散角可变式高效涵道

技术领域

[0001] 本发明涉及一种涵道，特别涉及一种唇口及扩散角可变式高效涵道，属于螺旋桨(涵道风扇)的空气动力技术领域，特别适用于飞行器上产生推力的涵道。

背景技术

[0002] 涵道螺旋桨和涵道风扇随着垂直起降飞行器的发展，近年来蓬勃发展起来，被广泛应用于诸多无人机和特种飞行器上。

[0003] 目前用于产生推力或升力的涵道螺旋桨及涵道风扇(以下简称为涵道螺旋桨)用于控制力输出大小时，一般都采用改变螺旋桨的转速或者螺旋桨桨距(叶片攻角)的方式来改变力的大小，这个调整过程伴随着高速旋转的螺旋桨转动状态的改变，需要克服巨大的转动惯量的变化或者是气动力的变化，这样调整过程的响应有一定程度的延迟，对于追求精确、快速姿态控制的飞行器而言产生了一定不利影响。另外，由于涵道螺旋桨工作产生的扭矩需要被平衡抵消，才能使飞行器不发生自旋，传统控制拉力的系统在改变拉力的过程中会引起自旋扭矩的改变，所以控制具有耦合作用，会因为对拉力的控制改变而引起其他量的改变，增加了控制的难度。国外也有通过唇口处开气孔对压力进行补偿，减小唇口处负压值，从而改变唇口附加拉力的方法，不过该方法只能对原有拉力进行减弱调整，无法实现更大范围的增减调整。目前国际上也有通过等离子体发生器改变涵道内流场压力分布的方案，但因为技术复杂，不易实现，也存在一定难度，目前处于实验室研究阶段。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种涵道，不通过改变螺旋桨的转速或者螺旋桨桨距就可以改变力的大小。

[0005] 本发明提供了一种唇口及扩散角可变式高效涵道，所述涵道采用柔性涵道壁材料，在涵道壁外侧上端和下端固定有至少一道作动筒，作动筒另一端连接在定位台架上，作动筒由电子控制单元控制。

[0006] 在涵道的扩散口上方侧壁安装数值传感器，用于感知气流是否因出口扩散角增大而发生了分离，并将传感器信号反馈给电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)。

[0007] 改变传统涵道内壁光滑的表面特性，使涵道内壁部分或全部区域具备凹坑形貌，以减小气流沿涵道内壁流动的摩擦阻力，以及在扩散口处延迟气流分离。

[0008] 凹坑形貌为微电子机械系统(MEMS)组成的可调凹坑软贴片，所连的微电子机械系统根据传感器采集数据，利用现代控制技术，对涵道内壁微型凹坑几何特征进行实时控制，以便于实现减阻和延迟分离的最优效果。

[0009] 本发明涉及的专利可应用于所有使用涵道螺旋桨或涵道风扇作为起降升力源或前进推力源的飞行器或载运工具上

[0010] 有益效果

[0011] 本发明所述涵道可实时调节唇口和尾部扩散角，不仅可提高涵道螺旋桨的效率，而且能够在不改变其他控制条件的情况下改变涵道拉力，提高控制的准确性，减小飞行器控制中的耦合作用。

附图说明

[0012] 图1是可变式涵道的半剖结构图。

[0013] 图2是可变式涵道的纵剖图。

[0014] 图3是贴有可调凹坑贴片的涵道柔性壁剖视图。

[0015] 图4是微电子机械系统(MEMS)可调凹坑贴片正面示意图。

[0016] 其中，1为螺旋桨，2为主轴，3为涵道壁，4为定位台架，5为唇口作动筒，6为扩散口作动筒，7为螺旋桨支架，8为驱动电机，9为数值传感器，另有3_1为涵道柔性壁基底，3_2为微电子机械系统(MEMS)可调凹坑贴片，3_3为凹坑。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图，进一步说明本发明的优选实施方式。

[0018] 图1至图3所示为根据本发明实现的一种唇口及扩散角可变式高效涵道。涵道壁3使用的材料为具有一定强度的柔性材料，在涵道壁3外侧上端和下端分别固定有多道唇口作动筒5和扩散口作动筒6，作动筒5、6另一端连接在定位台架4上。所述柔性材料可以是橡胶或其他具有一定弹性的可形成薄壁结构的材料。所述作动筒5、6可以使用液压缸，也可以使用步进电机和丝杠，用于在控制信号下执行直线往复动作，以改变作动筒5、6两端点之间距离。作动筒5、6一端与涵道柔性材料壁面铰接，另一端与定位台架4固定连接，处于涵道径向方向，并在涵道圆周内均匀分布，一般不能少于6个，可通过增加作动筒5、6的数量来增加对涵道截面形状的精确控制，由于连接方式自由度限制，故作动筒5、6在伸长和缩短的过程中推或拉涵道柔性壁外侧的连接点，迫使涵道内壁形态发生改变，这样就可以连续的改变唇口尺寸和扩散面积比，进而影响涵道内流场分布情况，对涵道空气动力特性进行控制。

[0019] 本发明采用唇口及扩散角可变式高效涵道，在不改变原有螺旋桨机构的前提下，对涵道体本身进行技术改进，通过柔壁技术，使涵道气流入口处的唇口半径可随控制信号要求改变尺寸，从而改变在此负压区域产生的唇口附加拉力的大小，这种改变响应速度极快，没有过多的滞后效应。具体而言，由于唇口位置处于气流增速汇流进入涵道的区域，过小的唇口半径会导致此处的气流失速效应，使涵道总体拉力下降，如果增大唇口半径则能改善唇口处气流环境，增大负压区域作用面积，进而增大涵道总体拉力。在固定螺旋桨转速和攻角的前提下，如果控制者给予ECU增大涵道拉力的信号，ECU通过运算对目标拉力所对应的唇口几何参数进行匹配，并控制联动作动筒调节各自长度，适当增大唇口半径，引起唇口外部轮廓的增大，以改善流场增大唇口拉力，满足目标拉力需求。

[0020] 另外，在涵道气流出口处通过对尾部扩散角特征参数进行实时调整，以适合控制系统所需要的拉力特性输出。涵道尾部的扩散角能够增大滑流面积，减小滑流速度和滑流动能损失，从而较多的将螺旋桨后的气流动能转化为压力能，使涵道产生更大推力，所以可以通过控制出口扩散口处的作动缸长度，增大扩散角，提高出口滑流面积，来提高涵道推力。

[0021] 但是在此扩压过程中，会伴随涵道内壁面逆压梯度的逐渐增大，气流与涵道壁面发生分离而产生漩涡，从而导致动能和势能的损失。本实施例在涵道的扩散口上方侧壁安装数值传感器9，用于感知气流是否因出口扩散角增大而发生了分离，并将传感器信号反馈给ECU。另外为了避免扩散角增大带来的气流分离，气流分离点附近涵道内壁上贴装微电子机械系统(MEMS)组成的可调凹坑软贴片3_2，贴片上的凹坑深度由所连的微电子机械系统根据ECU信号进行控制，以根据流场状况实时调整凹坑尺寸(如凹坑深度)，进而延缓边界层分离现象产生，保证大扩散角时推力的有效增加。

[0022] 所谓的边界层分离是指边界层内流体发生倒流而脱离物体表面，并形成大量漩涡的现象。边界层分离的内因是流体的粘性，外因则是沿涵道流动而出现的逆压梯度，这主要出现在涵道尾部扩散段。在逆压梯度段，边界层的粘性和逆压的共同作用都是使气流减速，因此边界层底层速度迅速减小，当到达某点后边界层底层沿物体表面切向速度减小为0，之后由于逆压作用，边界层底层的气流产生反方向的倒流，与顺流而下的气流相遇，迫使边界层脱离物体表面，并被主流卷走，形成大量的漩涡，于是形成了气体边界层分离。分离点位置主要取决于边界层的逆压梯度和边界层的类型。逆压梯度越大会使边界层提前分离，即分离点前移，反之造成分离点后移。但是紊流和层流相比，紊流边界层底部流体速度较大，比较不容易造成分离，因此分离点后移。故可调式凹坑作用就是将层流边界层转化为紊流边界层，使边界层能够更大程度保持附着在涵道壁面。

[0023] 根据涵道螺旋桨尺寸规模，作动筒5、6可采用液压机构或者步进电机配合丝杠机构等方案来对直线方向的往复运动进行控制。

[0024] 涵道式垂直起降飞行器在遇到侧风或者前飞状态时，迎风一侧的唇口处和背风一侧的唇口处气流速度与静止状态发生大的变化，由于涵道抽吸气流速度和来流流速叠加导致唇口负压也发生变化，故而在迎风唇口处和背风唇口处产生不对称分布的拉力，导致涵道拉力产生一个俯仰力矩，本发明的可变唇口结构即可通过对唇口形状的非对称控制，在负压大的区域减小唇口尺寸，在负压小的区域增大唇口尺寸，进而实现对不对称气压产生拉力的调整，消除涵道受到的唇口非对称附加拉力对空中姿态控制所带来的不利影响，能够使控制更加直接、有效。

[0025] 在非逆压梯度区域，即不会产生气流分离的区域，可以采用微电子机械系统(MEMS)组成的可调凹坑软贴片，控制凹坑尺寸形成非光滑表面减阻状态，利用凹坑内部存在着的旋转气流，使凹坑内部气流与凹坑外部气流形成气-气接触，产生涡垫效应，并影响到凹坑下游的非凹坑区。这样能减小壁面剪应力、雷诺切应力及湍流强度，从而减小气流与涵道内壁的摩擦力，提高了涵道螺旋桨整体效率和输出特性。

[0026] 微电子机械系统(MEMS)可调凹坑贴片上的凹坑为阵列式均匀分布，根据螺旋桨直径特征尺寸和正常工作雷诺数的不同以及减阻和延缓分离的不同用途倾向，选择不同的行距、列距、凹坑直径和凹坑深度。