專利名稱：一種唇口及擴散角可變式高效涵道的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種涵道，特別涉及一種唇口及擴散角可變式高效涵道，屬于螺 旋槳(涵道風扇)的空氣動力技術領域，特別適用于飛行器上產生推力的涵道。
背景技術：
涵道螺旋槳和涵道風扇隨著垂直起降飛行器的發(fā)展，近年來蓬勃發(fā)展起來，被廣 泛應用于諸多無人機和特種飛行器上。目前用于產生推力或升力的涵道螺旋槳及涵道風扇(以下簡稱為涵道螺旋槳)用 于控制力輸出大小時，一般都采用改變螺旋槳的轉速或者螺旋槳槳距(葉片攻角)的方式 來改變力的大小，這個調整過程伴隨著高速旋轉的螺旋槳轉動狀態(tài)的改變，需要克服巨大 的轉動慣量的變化或者是氣動力的變化，這樣調整過程的響應有一定程度的延遲，對于追 求精確、快速姿態(tài)控制的飛行器而言產生了一定不利影響。另外，由于涵道螺旋槳工作產生 的扭矩需要被平衡抵消，才能使飛行器不發(fā)生自旋，傳統(tǒng)控制拉力的系統(tǒng)在改變拉力的過 程中會引起自旋扭矩的改變，所以控制具有耦合作用，會因為對拉力的控制改變而引起其 他量的改變，增加了控制的難度。國外也有通過唇口處開氣孔對壓力進行補償，減小唇口處 負壓值，從而改變唇口附加拉力的方法，不過該方法只能對原有拉力進行減弱調整，無法實 現(xiàn)更大范圍的增減調整。目前國際上也有通過等離子體發(fā)生器改變涵道內流場壓力分布的 方案，但因為技術復雜，不易實現(xiàn)，也存在一定難度，目前處于實驗室研究階段。

實用新型內容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種涵道，不通過改變螺旋槳 的轉速或者螺旋槳槳距就可以改變力的大小。本實用新型提供了一種唇口及擴散角可變式高效涵道，所述涵道采用柔性涵道壁 材料，在涵道壁外側上端和下端固定有至少一道作動筒，作動筒另一端連接在定位臺架上， 作動筒由電子控制單元控制。在涵道的擴散口上方側壁安裝數(shù)值傳感器，用于感知氣流是否因出口擴散角增大 而發(fā)生了分離，并將傳感器信號反饋給電子控制單元(Electronic ControlUnit，ECU)。改變傳統(tǒng)涵道內壁光滑的表面特性，使涵道內壁部分或全部區(qū)域具備凹坑形貌， 以減小氣流沿涵道內壁流動的摩擦阻力，以及在擴散口處延遲氣流分離。凹坑形貌為微電子機械系統(tǒng)(MEMQ組成的可調凹坑軟貼片，所連的微電子機械 系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)代控制技術，對涵道內壁微型凹坑幾何特征進行實時控 制，以便于實現(xiàn)減阻和延遲分離的最優(yōu)效果。本實用新型涉及的專利可應用于所有使用涵道螺旋槳或涵道風扇作為起降升力 源或前進推力源的飛行器或載運工具上有益效果本實用新型所述涵道可實時調節(jié)唇口和尾部擴散角，不僅可提高涵道螺旋槳的效率，而且能夠在不改變其他控制條件的情況下改變涵道拉力，提高控制的準確性，減小飛行 器控制中的耦合作用。

圖1是可變式涵道的半剖結構圖。圖2是可變式涵道的縱剖圖。圖3是貼有可調凹坑貼片的涵道柔性壁剖視圖。圖4是微電子機械系統(tǒng)(MEMS)可調凹坑貼片正面示意圖。其中，1為螺旋槳，2為主軸，3為涵道壁，4為定位臺架，5為唇口作動筒，6為擴散 口作動筒，7為螺旋槳支架，8為驅動電機，9為數(shù)值傳感器，另有31為涵道柔性壁基底，32 為微電子機械系統(tǒng)(MEMS)可調凹坑貼片，33為凹坑。
具體實施方式
以下結合附圖，進一步說明本實用新型的優(yōu)選實施方式。圖1至圖3所示為根據(jù)本實用新型實現(xiàn)的一種唇口及擴散角可變式高效涵道。涵 道壁3使用的材料為具有一定強度的柔性材料，在涵道壁3外側上端和下端分別固定有多 道唇口作動筒5和擴散口作動筒6，作動筒5、6另一端連接在定位臺架4上。所述柔性材 料可以是橡膠或其他具有一定彈性的可形成薄壁結構的材料。所述作動筒5、6可以使用液 壓缸，也可以使用步進電機和絲杠，用于在控制信號下執(zhí)行直線往復動作，以改變作動筒5、 6兩端點之間距離。作動筒5、6 —端與涵道柔性材料壁面鉸接，另一端與定位臺架4固定 連接，處于涵道徑向方向，并在涵道圓周內均勻分布，一般不能少于6個，可通過增加作動 筒5、6的數(shù)量來增加對涵道截面形狀的精確控制，由于連接方式自由度限制，故作動筒5、 6在伸長和縮短的過程中推或拉涵道柔性壁外側的連接點，迫使涵道內壁形態(tài)發(fā)生改變，這 樣就可以連續(xù)的改變唇口尺寸和擴散面積比，進而影響涵道內流場分布情況，對涵道空氣 動力特性進行控制。本實用新型采用唇口及擴散角可變式高效涵道，在不改變原有螺旋槳機構的前提 下，對涵道體本身進行技術改進，通過柔壁技術，使涵道氣流入口處的唇口半徑可隨控制信 號要求改變尺寸，從而改變在此負壓區(qū)域產生的唇口附加拉力的大小，這種改變響應速度 極快，沒有過多的滯后效應。具體而言，由于唇口位置處于氣流增速匯流進入涵道的區(qū)域， 過小的唇口半徑會導致此處的氣流失速效應，使涵道總體拉力下降，如果增大唇口半徑則 能改善唇口處氣流環(huán)境，增大負壓區(qū)域作用面積，進而增大涵道總體拉力。在固定螺旋槳轉 速和攻角的前提下，如果控制者給予E⑶增大涵道拉力的信號，E⑶通過運算對目標拉力所 對應的唇口幾何參數(shù)進行匹配，并控制聯(lián)動作動筒調節(jié)各自長度，適當增大唇口半徑，引起 唇口外部輪廓的增大，以改善流場增大唇口拉力，滿足目標拉力需求。另外，在涵道氣流出口處通過對尾部擴散角特征參數(shù)進行實時調整，以適合控制 系統(tǒng)所需要的拉力特性輸出。涵道尾部的擴散角能夠增大滑流面積，減小滑流速度和滑流 動能損失，從而較多的將螺旋槳后的氣流動能轉化為壓力能，使涵道產生更大推力，所以可 以通過控制出口擴散口處的作動缸長度，增大擴散角，提高出口滑流面積，來提高涵道推 力。[0021]但是在此擴壓過程中，會伴隨涵道內壁面逆壓梯度的逐漸增大，氣流與涵道壁面 發(fā)生分離而產生漩渦，從而導致動能和勢能的損失。本實施例在涵道的擴散口上方側壁安 裝數(shù)值傳感器9，用于感知氣流是否因出口擴散角增大而發(fā)生了分離，并將傳感器信號反饋 給ECU。另外為了避免擴散角增大帶來的氣流分離，氣流分離點附近涵道內壁上貼裝微電子 機械系統(tǒng)(MEMS)組成的可調凹坑軟貼片3_2，貼片上的凹坑深度由所連的微電子機械系統(tǒng) 根據(jù)ECU信號進行控制，以根據(jù)流場狀況實時調整凹坑尺寸(如凹坑深度)，進而延緩邊界 層分離現(xiàn)象產生，保證大擴散角時推力的有效增加。所謂的邊界層分離是指邊界層內流體發(fā)生倒流而脫離物體表面，并形成大量漩渦 的現(xiàn)象。邊界層分離的內因是流體的粘性，外因則是沿涵道流動而出現(xiàn)的逆壓梯度，這主要 出現(xiàn)在涵道尾部擴散段。在逆壓梯度段，邊界層的粘性和逆壓的共同作用都是使氣流減速， 因此邊界層底層速度迅速減小，當?shù)竭_某點后邊界層底層沿物體表面切向速度減小為0，之 后由于逆壓作用，邊界層底層的氣流產生反方向的倒流，與順流而下的氣流相遇，迫使邊界 層脫離物體表面，并被主流卷走，形成大量的漩渦，于是形成了氣體邊界層分離。分離點位 置主要取決于邊界層的逆壓梯度和邊界層的類型。逆壓梯度越大會使邊界層提前分離，即 分離點前移，反之造成分離點后移。但是紊流和層流相比，紊流邊界層底部流體速度較大， 比較不容易造成分離，因此分離點后移。故可調式凹坑作用就是將層流邊界層轉化為紊流 邊界層，使邊界層能夠更大程度保持附著在涵道壁面。根據(jù)涵道螺旋槳尺寸規(guī)模，作動筒5、6可采用液壓機構或者步進電機配合絲杠機 構等方案來對直線方向的往復運動進行控制。涵道式垂直起降飛行器在遇到側風或者前飛狀態(tài)時，迎風一側的唇口處和背風一 側的唇口處氣流速度與靜止狀態(tài)發(fā)生大的變化，由于涵道抽吸氣流速度和來流流速疊加導 致唇口負壓也發(fā)生變化，故而在迎風唇口處和背風唇口處產生不對稱分布的拉力，導致涵 道拉力產生一個俯仰力矩，本實用新型的可變唇口結構即可通過對唇口形狀的非對稱控 制，在負壓大的區(qū)域減小唇口尺寸，在負壓小的區(qū)域增大唇口尺寸，進而實現(xiàn)對不對稱氣壓 產生拉力的調整，消除涵道受到的唇口非對稱附加拉力對空中姿態(tài)控制所帶來的不利影 響，能夠使控制更加直接、有效。在非逆壓梯度區(qū)域，即不會產生氣流分離的區(qū)域，可以采用微電子機械系統(tǒng) (MEMS)組成的可調凹坑軟貼片，控制凹坑尺寸形成非光滑表面減阻狀態(tài)，利用凹坑內部存 在著的旋轉氣流，使凹坑內部氣流與凹坑外部氣流形成氣-氣接觸，產生渦墊效應，并影響 到凹坑下游的非凹坑區(qū)。這樣能減小壁面剪應力、雷諾切應力及湍流強度，從而減小氣流與 涵道內壁的摩擦力，提高了涵道螺旋槳整體效率和輸出特性。微電子機械系統(tǒng)(MEMQ可調凹坑貼片上的凹坑為陣列式均勻分布，根據(jù)螺旋槳 直徑特征尺寸和正常工作雷諾數(shù)的不同以及減阻和延緩分離的不同用途傾向，選擇不同的 行距、列距、凹坑直徑和凹坑深度。
權利要求1.一種唇口及擴散角可變式高效涵道，其特征在于，所述涵道采用柔性涵道壁材料，在 涵道壁外側上端和下端固定有至少一道作動筒(5)，作動筒另一端連接在定位臺架上0)， 作動筒由電子控制單元控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種唇口及擴散角可變式高效涵道，其特征在于，所述涵道 內壁C3)部分或全部區(qū)域具備凹坑形貌。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種唇口及擴散角可變式高效涵道，其特征在于，所述凹坑 形貌為微電子機械系統(tǒng)組成的可調凹坑軟貼片(32)。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的一種唇口及擴散角可變式高效涵道，其特征在于， 在涵道的擴散口上方側壁安裝數(shù)值傳感器(9)，并將傳感器(9)信號反饋給電子控制單元。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種唇口及擴散角可變式高效涵道，其特征在于，所述作動 筒至少為六個，在涵道圓周內均勻分布。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種唇口及擴散角可變式高效涵道，其特征在于，作動筒為 液壓缸，或者步進電機和絲杠。
專利摘要本實用新型涉及一種唇口及擴散角可變式高效涵道，所述涵道采用柔性涵道壁材料，在涵道壁外側上端和下端固定有至少一道作動筒，作動筒另一端連接在定位臺架上。在涵道的擴散口上方側壁安裝數(shù)值傳感器，用于感知氣流是否因出口擴散角增大而發(fā)生了分離，并將傳感器信號反饋給ECU(Electronic ControlUnit電子控制單元)。涵道內壁部分區(qū)域或全部具備凹坑形貌。凹坑形貌可以為微電子機械系統(tǒng)(MEMS)組成的可調凹坑軟貼片。本實用新型所述涵道可實時調節(jié)唇口和尾部擴散角，不僅可提高涵道螺旋槳的效率，而且能夠在不改變其他控制條件的情況下改變涵道拉力，提高控制的準確性，減小飛行器控制中的耦合作用。
文檔編號B64C29/00GK201923319SQ20102057398
公開日2011年8月10日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者徐彬, 智晉寧, 林建平, 苑衛(wèi)松, 項昌樂 申請人:北京理工大學