[發明專利]一種減阻降噪的仿生螺旋槳及其制備方法

有效

• 申請號: 202110343549.0
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113086169B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 韓志武;宋文達;穆正知;張芷嫣;王宇飛;陳豫;陳友;秦曉靜;遲德強;張俊秋;牛士超;李博;張斌杰;李玉姣;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B64C11/18
• 分類號: B64C11/18;B64C11/20;B64C27/467;B64C27/473;B29C70/34;B29C70/54
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 朱陽波

本發明公開了一種減阻降噪的仿生螺旋槳及其制備方法，所述螺旋槳的槳葉包括：槳葉基層，所述槳葉基層的前緣具有正弦型凸起結構；纖維樹脂層，設置在所述槳葉基層上，在所述纖維樹脂層上設有若干排纖維絨毛，所述若干排纖維絨毛靠近所述槳葉的槳尖部。槳葉上的正弦型凸起結構可以提升槳葉的升力，同時纖維樹脂層粘度大、彈性好，可以改變槳葉表面層內湍流結構，使邊界層的頻率、振幅、波速發生改變，進而減小氣動阻力和壁面摩擦阻力，纖維絨毛可以吸收螺旋槳的邊界層的氣體的部分能量，進而減小邊界層氣體的湍流。并且，纖維絨毛還顯著減小由于螺旋槳翼尖失速而引起的氣動噪聲。

技術領域

本發明涉及無人機旋翼/螺旋槳的制備領域，尤其涉及一種減阻降噪的仿生螺旋槳及其制備方法。

背景技術

隨著現代無人機技術的迅猛發展，無人機已經廣泛應用于軍事、醫療、物流、農林、氣象、娛樂等諸多領域。但是，無人機自身仍存在一些問題亟待解決，例如，在無人機飛行過程中，其螺旋槳會產生較大的氣動噪聲，容易造成噪聲污染，導致環境保護問題；無人機螺旋槳在飛行中面臨較大的氣動阻力，從而影響了整機氣動效率的提升。如何降低無人機飛行過程中產生的氣動噪聲和阻力，進一步改善無人機的氣動性能是目前無人機研究的重點和難點。

生物在億萬年的自然選擇中，進化出遠超人類現有設計的優異功能特性。許多借鑒生物結構的無人機螺旋槳設計已經取得了較好的效果，尤其是以貓頭鷹為生物模本的仿生流動控制和氣動噪聲控制研究，效果突出。研究發現，貓頭鷹具有優異的飛行本領主要得益于以下幾種特殊的結構特征：1、翅膀前緣鋸齒結構：這些鋸齒結構可以將空氣分解成小氣流，使其流過翅膀時更加穩定，有助于提升翅膀的氣動性能，而這種氣流變化也在一定程度上減少了流動空氣的噪聲。2、翅膀前緣凸起結構：該結構可以延緩翼型的失速，顯著提升翼型失速后的升力，進而改善翅膀的氣動特性，提升飛行升力和飛行機動性。3、翅膀劉海狀尾緣結構：該結構可以進一步分解流動到翅膀后緣的空氣，降低氣動噪聲。4、翅膀上下表面紋理結構：這些由于羽毛交錯鋪疊而形成凹凸紋理結構可以使氣流粘附在翅膀表面，減少氣流脫離而形成的大渦流，進而減少噪聲的產生。5、翅膀柔性表面：翅膀表面覆蓋有細小蓬松的羽毛，可以吸收一部分空氣中的高頻噪音，并使氣流變得柔順，減弱邊界層的湍流；另外，柔性表面還可以使邊界層產生同步波動，進而改變邊界層內湍流結構，達到減阻的目的。

針對貓頭鷹上述幾種特殊的結構特征，研究人員將其應用于無人機螺旋槳仿生設計研究中：1、仿生前緣鋸齒結構：可以有效降低噪聲，但是通常會在一定程度上降低氣動性能；2、仿生前緣凸起結構：由于前緣凸起可以增大螺旋槳的受力面積而提升升力，進而可以顯著提升其氣動性能；此外，凸起相當于渦流發生器，容易使螺旋槳表面形成一定的低壓區，導致渦流的產生，因此氣動噪聲也會明顯增大。3、仿生劉海狀尾緣結構：可以通過梳理尾部氣流抑制大渦流產生，起到降噪的效果，但是對氣動性能影響很小。4、仿生表面紋理結構：通過在螺旋槳表面加工凹槽，可以實現減阻效果，但是對噪聲影響不大，并且加工后的螺旋槳存在結構力學性能下降的問題。5、仿生柔性表面：通過在螺旋槳表面套上柔軟外層結構，可以降低一部分噪音，但是會增加流動阻力進而影響氣動性能。

目前針對無人機螺旋槳的仿生設計還難以同時實現減阻和降噪功能。仿生前緣凸起結構、仿生表面紋理結構的設計雖然有助于提升螺旋槳的氣動特性以達到減阻的目的，但是其降噪效果并不明顯，甚至會增大噪聲。部分研究中提到的降噪效果實則是在維持同等推力的前提下，通過降低轉速而實現降噪，這并非嚴格意義上的降噪。而仿生前緣鋸齒結構、仿生劉海狀尾緣結構、仿生柔性表面的設計會在一定程度上降低噪聲，但往往需要以犧牲氣動性能為代價。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種減阻降噪的仿生螺旋槳及其制備方法，旨在同時實現無人機螺旋槳減阻和降噪的目的。

本發明的技術方案如下：

一種減阻降噪的仿生螺旋槳，包括槳葉，其中，所述槳葉包括：