详情

原文传递一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构及其设计方法

专利名称：	一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构及其设计方法
摘要：	本发明涉及无人机旋翼/螺旋桨综合性能技术领域，具体涉及一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构及其设计方法。该低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，包括若干呈圆周布置的桨叶以及将各桨叶根部连接在一起的连接结构；所述桨叶的前缘设有锯齿结构，尖端设有向下内倾的后掠小翼结构；所述锯齿结构为等腰三角形状。本发明所述的无人机旋翼结构及其设计方法能够有效降低各类旋翼噪声，提高工作效率，且具有便于携带和安装使用的特点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	中国科学院合肥物质科学研究院
发明人：	卫玉梁;谢东岳;卞世元;孔德义;唐敏;熊玉林;王森;胡明;马运前;许锋
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-03T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-19T00:00:00+0800
申请号：	CN201910826278.7
公开号：	CN110466751A
代理机构：	合肥国和专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	张祥骞
分类号：	B64C27/32(2006.01);B;B64;B64C;B64C27
申请人地址：	230031 安徽省合肥市蜀山区蜀山湖路350号
主权项：	1.一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，其特征在于：包括若干呈圆周布置的桨叶以及将各桨叶根部连接在一起的连接结构；所述桨叶的前缘设有锯齿结构，尖端设有向下内倾的后掠小翼结构；所述锯齿结构为等腰三角形状。 2.根据权利要求1所述的一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，其特征在于：所述连接结构包括自上向下依次设置的顶盖和底座；所述顶盖包括圆形的顶盖板和沿顶盖板外周均匀分布的若干上桨叶固定臂；所述顶盖板上开设有位于顶盖板中间的穿孔一和沿穿孔一外周均匀分布的若干安装孔一；所述上桨叶固定臂上开设有安装孔二；相邻上桨叶固定臂之间的顶盖板的外周底部设有阶梯槽；所述底座包括圆形的底座板和沿底座板外周均匀分布的若干下桨叶固定臂；所述底座板上开设有位于底座板中间的穿孔二和沿穿孔二外周分布的若干安装孔三；相邻下桨叶固定臂之间的底座板的外周顶部设有与阶梯槽相适应的定位支撑结构；所述下桨叶固定臂的顶部设有安装圆柱；所述安装圆柱上开设有通孔，所述下桨叶固定臂上开设有螺母安装槽。 3.根据权利要求2所述的一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，其特征在于：所述桨叶的尾端设有与安装圆柱相适应的贯穿孔。 4.根据权利要求1所述的一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，其特征在于：所述桨叶的尖端距离旋转中心的距离为127-457.2mm，旋转面直径为10-36英寸。 5.根据权利要求1所述的一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，其特征在于：所述锯齿结构包括若干依次相连的等腰三角形状的连接板，所述连接板的宽度为0.13L～0.15L、高度为0.13L～0.15L、厚度为0.02L～0.1L，相邻连接板之间的间隙为0.003～0.05L，相邻连接板的顶端之间的距离为0.13L～0.15L，；所述锯齿结构的分布位置在距离旋转中心的0.1R～0.2R处，锯齿结构的分布长度为0.6～0.7R；其中，R为单个桨叶的翼展，L为单个桨叶的平均弦长，取值为桨叶表面积与翼展的比值，单位为mm。 6.根据权利要求1所述的一种低噪声的高效便携式无人机旋翼结构，其特征在于：所述小翼结构分布在距离旋转中心的0.7R～0.9R的位置处，后掠小翼结构的开始端弦长为桨叶弦长，结束端弦长为0.2L～0.4L；后掠小翼结构的高度为0.03R～0.1R R，后倾角取值为30°～70°、小翼下掠角取值为20°～90°；其中R为单个桨叶的翼展，L为单个桨叶的平均弦长，取值为桨叶表面积与翼展的比值，单位为mm。 7.根据权利要求1～6任意一项所述的低噪声的高效便携式无人机旋翼结构的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： (1)仿生结构设计：获取仿生源的结构参数，并根据实际工况，构建旋翼模型作为基准翼型桨叶，在基准翼型桨叶的前缘进行锯齿结构的三维建模，得到带锯齿结构的仿生结构，同时在基准翼型桨叶的尖端进行小翼结构的三维建模，得到带小翼结构的仿生结构；其中，带锯齿结构的仿生结构根据锯齿结构形状的不同包含若干种； (2)仿生结构形状设计：对基准翼型桨叶和两种仿生结构进行独立的仿真计算实验，生成基准翼型桨叶和两种仿生结构所需的计算网格，并采用流体力学方法对基准翼型桨叶和两种仿生结构的力学及声学特性进行计算分析，确定具有最优气动性能和声学性能的两种仿生结构的形状； (3)仿生结构参数设计：对确定形状后的两种仿生结构的各个参数进行正交实验，并根据正交实验结果进行极差分析，确定各参数的最佳取值范围。 8.根据权利要求7所述的低噪声的高效便携式无人机旋翼结构的设计方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的“在基准翼型桨叶的前缘进行锯齿结构的三维建模，得到带锯齿结构的仿生结构”，具体包括以下步骤： (201)对已有的旋翼模型数据进行处理，在垂直于旋翼翼展方向的基准面上，利用交叉曲线提取出桨叶各个截面的翼型； (202)标定出所有截面提取出翼型草图的顶点，并用三维曲线将其连接作为前缘基准线； (203)在每个翼型草图上进行新的锯齿草图绘制，首先绘制与当前翼型攻角一致的长方形，该长方形的宽即为锯齿结构的厚度； (204)对所有新绘制的长方形草图进行放样处理，处理时按照前缘基准线进行，从而得到一个新的具有一定厚度的曲面实体； (205)在该曲面实体的投影平面再次进行锯齿草图绘制，确定锯齿的各个参数，并用此草图对曲面实体进行裁剪，从而得到若干个小的锯齿实体； (206)三维调整各个锯齿的位置，最终将所有锯齿实体以及基础叶片实体组合成一个实体，从而得到具有前缘锯齿结构的单个旋翼桨叶，作为带锯齿结构的仿生结构。 9.根据权利要求7所述的低噪声的高效便携式无人机旋翼结构的设计方法，其特征在于：步骤(2)中所述的“在基准翼型桨叶的尖端进行小翼结构的三维建模，得到带小翼结构的仿生结构”，具体包括以下步骤： (211)对已有的旋翼模型数据进行处理，在垂直于旋翼展弦方向的基准面上，利用交叉曲线提取出桨叶各个截面的翼型； (212)标定出所有截面提取出翼型草图的顶点，并用三维曲线将其连接作为前缘基准线； (213)选取尖端处某一截面作为小翼结构的起始截面，该截面上所提取的翼型草图即为小翼结构的起始草图，该翼型的弦长即为小翼结构的初始弦长； (214)在距离起始截面距离为SN的平行截面上对小翼的起始草图进行转换应用(即复制)，同时对该草图进行修改，从而满足小翼的特定参数；根据以下公式对起始草图进行向下平移A，向后平移B，以满足设计的下倾角α和后掠角β，该草图弦长LN通过对起始草图弦长L1处理得到：其中，L1为小翼起始草图弦长，L2为结束端草图弦长，S为起始小翼平面投影长度为SN的整数倍，所有变量单位均一致； (215)按照步骤(214)继续对距离起始截面距离为2SN处的截面进行草图绘制，直到完成整个小翼结构的草图绘制； (216)对所有绘制的小翼结构的翼型草图进行放样处理，放样时使起始端以及结束端均与草图相切，保证结构的平滑性，从而得到带有小翼结构的单个旋翼桨叶。 10.根据权利要求7所述的低噪声的高效便携式无人机旋翼结构的设计方法，其特征在于：步骤(2)中所述的“采用流体力学方法对基准翼型桨叶和两种仿生结构的力学及声学特性进行计算分析，确定具有最优气动性能和声学性能的两种仿生结构的形状”，具体包括以下步骤： (221)基于雷诺平均方程的气动性能计算方法模拟旋翼实际工作情景，采用SST模型对雷诺平均方程进行求解，以所生成网格单元为计算变量，在旋翼桨叶表面积上进行积分运算，求得在所设定转速边界条件下所产生升力L和阻力D值的总和，当计算达到收敛时，L和D的值基本保持为一常数不变；同时，采用Broadband Noise Sources模型求解雷诺平均方程，并根据以下公式计算得到整个计算域中由单位体积的各向同性湍流产生的噪声功率PA：式中，u和l是湍流速度和长度尺度，a0为声速，α为模型常量；引入参数κ,ε，则上式可以写成： PA＝αερ0εMt5 式中，αε的取值设置为0.1，这里，为了更加直观的用分贝表示的声功率，采用如下计算公式对计算所得声功率PA进行转化：式中，Pref为参考声功率，Lp代表声压级，由声功率转化得到，单位是分贝(dB)，用于衡量声音的大小，本发明中用于作为对比不同旋翼噪声性能的指标。 (223)为了衡量不同具有不同形状前缘锯齿旋翼的气动性能差异，以及小翼结构对旋翼气动性能的影响，采用以下公式求得旋翼所产生的升力系数CL与阻力系数CD：其中，v∞表示转速，ρ表示空气密度，Swhole和Shalf分别为整个和半叶片表面面积，考虑到锯齿模型中锯齿的面积，此处只计算了半叶片的阻力系数，因为当计算收敛时，在阻力方向上有一个稳定的周期性瞬态峰值；根据计算所得升力系数CL与阻力系数CD，可进一步计算得到升阻比的值，即CL/CD，该值用来对比衡量步骤(1)中所设计的若干种带不同形状锯齿结构的仿生结构的气动性能，该值的增加与否作为检验小翼结构是否具有提高旋翼气动性能的标准。
所属类别：	发明专利