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JP6856930B2 - Rotor, drone and helicopter - Google Patents
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JP6856930B2 - Rotor, drone and helicopter - Google Patents

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Description

本発明は、ドローンやヘリコプタなどに用いられるロータ、そのようなロータを有するドローン及びヘリコプタに関する。 The present invention relates to rotors used for drones, helicopters, etc., and drones and helicopters having such rotors.

近年、4発以上のロータを持つドローンと呼ばれる飛行体が撮影、観測目的で盛んに利用されている。ドローンは通常プラスチック製の2枚羽の固定ピッチロータを使用しており、このロータの性能によりペイロードの重さ及び飛行時間が左右される。ロータ形状は様々であり、単純テーパから古典プロペラ理論(非特許文献1)を応用したと思われる、付け根の翼弦長が広く、そこから先端に向けて急激に翼弦長を減らし、ある小さなテーパ比に移行し、先端を丸めた形状のものなどが見られる。また有人小型ヘリコプタとしてGEN CORPORATIONが開発したGEN H?4(非特許文献2)は同様に固定ピッチロータを使用しており、ロータに単純テーパを採用している。 In recent years, flying objects called drones with four or more rotors have been actively used for photography and observation purposes. Drones usually use a two-bladed fixed-pitch rotor made of plastic, and the performance of this rotor affects the weight of the payload and the flight time. There are various rotor shapes, and it seems that the classical propeller theory (Non-Patent Document 1) was applied from the simple taper. Some of them have a taper ratio and a rounded tip. Further, GEN H-4 (Non-Patent Document 2) developed by GEN CORPORATION as a manned small helicopter also uses a fixed pitch rotor, and adopts a simple taper for the rotor.

ヘリコプタの分野では英国のWestrand LinxがBERP(非特許文献2,特許文献1)と呼ばれる先端の翼弦長を拡大し、後退角を持たせたロータを使用し、世界速度記録を達成している。本ロータは先端の翼弦を拡大した不連続な前縁を飛行機で使用されるドッグツースとして機能させ、縦渦を発生させて上面の剥離を抑えることで後退側での揚力係数を稼ぐとともに、先端の後退角によって前進側での造波抵抗を減少させる事を目的としている。ヘリコプタは単純運動量理論とロータ回転面積と入力パワから求められる理論最大揚力で実際の揚力を除したフィギュアオブメリット(非特許文献3)と最大速度をトレードオフしなければならないため、ロータ形状は矩形か先端に弱いテーパがついた形状のものが多く使用されている。これに対してドローンはホバリングする時間が長いためフィギュアオブメリットの高いロータを使用し、飛行時間及びペイロードを増加させようとする要求が高い。 In the field of helicopters, Westland Linx of the United Kingdom has achieved a world speed record by using a rotor with an extended tip chord length called BERP (Non-Patent Document 2 and Patent Document 1) and a receding angle. .. This rotor functions as a dog tooth used in an airplane with a discontinuous front edge that expands the wing chord at the tip, and generates a vertical vortex to suppress peeling of the upper surface, thereby gaining a lift coefficient on the backward side and the tip. The purpose is to reduce the wave-making resistance on the forward side by the receding angle of. Since the helicopter must trade off the maximum speed with the figure of merit (Non-Patent Document 3) in which the actual lift is divided by the theoretical maximum lift obtained from the simple momentum theory, the rotor rotation area, and the input power, the rotor shape is rectangular. Most of them have a shape with a weak taper at the tip. On the other hand, since drones have a long hovering time, there is a high demand for using a rotor with a high figure of merit to increase flight time and payload.

米国特許第5174721号明細書U.S. Pat. No. 5,174,721

Adkins, C. N., Liebeck, R. H., "Design of Optimum Propellers," AIAA−83−0190, Jan. 1983Adkins, C.N., Leebeck, R.H., "Design of Optimum Propellers," AIAA-83-0190, Jan. 1983. 柳沢 源内、二重反転一人乗りヘリコフターGEN H?4 開発と将来展望、Heli Japan 2002、 11月 2002Gennai Yanagisawa, Contra-rotating single-seater helicopter GEN H-4 Development and future prospects, Heli Japan 2002, November 2002 https://en.wikipedia.org/wiki/BERP_rotorhttps://en.wikipedia.org/wiki/BERP_rotor R. W. Prouty,"Helicopter Performance, Stability, and Control,"1990R. W. Prouty, "Helicopter Performance, Stability, and Control," 1990 原田正志、"低レイノルズ数プロペラの設計法、"JAXA-RR-06?032、2007Masashi Harada, "Design method for low Reynolds number propellers," JAXA-RR-06-032, 2007

フィギュアオブメリットの大きなロータを設計する際に有効な手法としてAdkinsらの方法(非特許文献4)がある。しかしAdkinsらの方法は実際のロータの後流に見られる縮流(筒状の流れの半径の縮小)や、渦の巻き込み(ロールアップ)を反映出来なかった。そのためフィギアオブメリットは最大とはなっていなかった。またAdkinsらの方法では付根付近で翼弦長が大きくなりすぎるため、ブレード付根付近の翼弦長を一定値以下に修正する処理が必要となるが、この際に取付け角が修正されていないため、翼弦長を制限した際の最適な取付け角となっていなかった。ドローンに用いられるロータは一般に小型であるため、翼型のレイノルズ数が低い。この低いレイノルズ数で大きな揚力係数を発生させるため、薄く大きなキャンバーを持った翼型が使用される。大きなキャンバーを持つためモーメント係数Cmが負の大きな値をとる。このためブレードを捩じりさげるモーメントが働くが、Adkinsらの方法で得られるブレードはブレード半径の中程がくびれている上、前述のように薄い翼型を用いているため、捻れに耐える剛性が不足し、捩じれる問題がある。 There is a method by Adkins et al. (Non-Patent Document 4) as an effective method when designing a rotor having a large figure of merit. However, the method of Adkins et al. Could not reflect the contraction (reduction of the radius of the tubular flow) and the vortex entrainment (roll-up) seen in the wake of the actual rotor. Therefore, the figure of merit was not the maximum. In addition, since the chord length near the root of the blade becomes too large in the method of Adkins et al., It is necessary to correct the chord length near the root of the blade to a certain value or less, but the mounting angle is not corrected at this time. , It was not the optimum mounting angle when the chord length was limited. Since the rotor used for drones is generally small, the airfoil Reynolds number is low. An airfoil with a thin and large camber is used to generate a large lift coefficient at this low Reynolds number. Since it has a large camber, the moment coefficient Cm takes a large negative value. For this reason, a moment that twists the blade works, but the blade obtained by the method of Adkins et al. Has a constricted mid-blade radius and uses a thin airfoil as described above, so it has rigidity to withstand twisting. There is a problem of twisting due to lack of.

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高いフィギュアオブメリットを得つつ、高い捻れ剛性を確保出来るロータ、そのようなロータを有するドローン及びヘリコプタを提供する事にある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a rotor capable of ensuring high torsional rigidity while obtaining a high figure of merit, and a drone and a helicopter having such a rotor.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るロータは、
ソリディティが10%以下となるロータであり、
2枚のブレードを有し、
前記各ブレードの形状が、
半径10%から35%の領域に最大翼弦長をもち、
前記最大翼弦長の位置から先端方向にかけて翼弦長が減少し、
前記翼弦長の減少が所定の位置で最大になり、その位置から先端方向にかけて前記翼弦長の減少がゆるやかになり、
半径70%から95%の領域に変曲点があり、
先端が楕円形であり、
翼弦に2点で接する接線が翼端で作る仮想の翼端の翼弦長に対し、最大翼弦長は3倍以上の長さであり、
半径中程のくびれ量は仮想の翼端の30%以下であり、
取付け角は前記翼弦長が最大になる付近で最大となり、前記翼弦長が最大に位置から先端にかけて減少し、
付け根の前記取付け角は当該取り付け角が最大値を取る位置から付け根に行くほど減少している。
In order to achieve the above object, the rotor according to one embodiment of the present invention is
A rotor with a solidity of 10% or less,
Has two blades,
The shape of each blade
It has a maximum chord length in the region with a radius of 10% to 35%, and has a maximum chord length.
The chord length decreases from the position of the maximum chord length toward the tip,
The decrease in chord length is maximized at a predetermined position, and the decrease in chord length becomes gradual from that position toward the tip.
There is an inflection point in the area with a radius of 70% to 95%,
The tip is oval,
The maximum chord length is more than three times as long as the hypothetical chord length created by the tangent line that touches the chord at two points.
The amount of constriction in the middle of the radius is less than 30% of the virtual wing tip,
The mounting angle becomes maximum near the maximum chord length, and the chord length decreases from the maximum position to the tip.
The mounting angle of the base decreases from the position where the mounting angle takes the maximum value toward the base.

前記各ブレードの形状は、翼弦長は付根から先端にかけて1階微分が連続な曲線であることが好ましい形態である。 The shape of each blade is preferably such that the chord length is a curve in which the first derivative is continuous from the root to the tip.

本発明の別形態に係るドローンは、上記構成のロータを有する。 The drone according to another embodiment of the present invention has a rotor having the above configuration.

本発明のさらに別形態に係るヘリコプタは、上記構成のロータを有する。 The helicopter according to still another embodiment of the present invention has a rotor having the above configuration.

本発明により、ロータのフィギュアオブメリットが高く、ドローン、ヘリコプタに使用すれば、飛行時間、ペイロード重量を増す事が出来る。またAdkinsらの方法ではブレード付け根付近の翼弦長が大きくなり過ぎ、これを一定の値以下に制限すると取付け角が最適ではなくなっていた。本発明によれば翼弦長を制限しつつも取付け角が最適化される。Adkinsらの方法では半径の中程の翼弦長にくびれが現れるが、本発明で適度に翼弦長を制限する事で半径中程の翼弦長を太らす事が出来、またテーパ比を大きくし、捻れに強い平面形状とする事が出来る。 According to the present invention, the figure of merit of the rotor is high, and if it is used for a drone or a helicopter, the flight time and the payload weight can be increased. In addition, in the method of Adkins et al., The chord length near the base of the blade became too large, and if this was limited to a certain value or less, the mounting angle was not optimal. According to the present invention, the mounting angle is optimized while limiting the chord length. In the method of Adkins et al., A constriction appears in the chord length in the middle radius, but in the present invention, the chord length in the middle radius can be increased by appropriately limiting the chord length, and the taper ratio can be increased. It can be made larger and have a flat shape that is resistant to twisting.

本発明の一実施形態に係るロータの上面図である。It is a top view of the rotor which concerns on one Embodiment of this invention. ロータの翼端渦の軌跡を示している。a)はAdkinsらの方法によるロータの翼端渦の軌跡であり、b)は本発明者である原田の渦法によるロータの翼端渦の軌跡である。It shows the trajectory of the wing tip vortex of the rotor. a) is the locus of the rotor blade tip vortex by the method of Adkins et al., And b) is the locus of the rotor blade tip vortex by the Harada vortex method of the present inventor. a)は実際の翼端渦のロールアップであり、b)はモデル化した翼端渦のロールアップである。a) is the actual roll-up of the wing tip vortex, and b) is the modeled roll-up of the wing tip vortex. 従来方法の最適な翼弦長分布を示すグラフである。It is a graph which shows the optimum chord length distribution of the conventional method. 従来方法の最適な取付角を示すグラフである。It is a graph which shows the optimum mounting angle of the conventional method. 翼弦長を制限した従来方法の最適な翼弦長分布を示すグラフである。It is a graph which shows the optimum chord length distribution of the conventional method which limited chord length. 翼弦長を制限した従来方法の最適な取付角を示すグラフである。It is a graph which shows the optimum mounting angle of the conventional method which limited the chord length. 本発明の翼弦長分布の特徴を示すグラフである。It is a graph which shows the characteristic of the chord length distribution of this invention. 本発明の取付角の特徴を示すグラフである。It is a graph which shows the feature of the mounting angle of this invention. 原田の渦法を説明するための図であり、プロペラの座標系と放出渦を示している。It is a figure for explaining Harada's vortex method, and shows the coordinate system of the propeller and the emission vortex. 原田の渦法を説明するための図であり、図10における一枚目のブレードの拡大図を示している。It is a figure for demonstrating the vortex method of Harada, and shows the enlarged view of the first blade in FIG. 原田の渦法を説明するための図であり、ブレードの断面と流入速度を示している。It is a figure for explaining Harada's vortex method, and shows the cross section and the inflow velocity of a blade. 原田の渦法を説明するための図であり、ブレード翼素に働く力を示している。It is a figure for explaining Harada's vortex method, and shows the force acting on the blade blade element.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の一実施形態に係るロータの上面図である。 FIG. 1 is a top view of a rotor according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、ロータ6は、2枚のブレード3と、シャフト穴5を有するハブ4とを有する。 As shown in FIG. 1, the rotor 6 has two blades 3 and a hub 4 having a shaft hole 5.

ここで、Adkinsらの方法では、図2のa)に示す様に、一定ピッチかつ一定半径の後流しか扱えない。これに対して、本発明者である原田の渦法(非特許文献5参照。後述する。)を用いることで、さらに後流の形状を次の様に定めることが出来る。
1)図2のb)に示すように翼端渦半径rが次式
r/R=A+(1−A)e−λψ (1)
に従い収縮する。ここでRはロータ半径、Aは実験から得られる定数であり0.76から0.8、好ましくは0.78である。またλも実験により得られる定数であり、ψはブレード方位角である。
2)図3のa)に示す様に翼端から螺旋渦のピッチ程度の範囲にある放出渦は、直ちにロールアップして翼端渦1となり一群となって移動する。
3)翼端渦1は翼端渦1より内部の渦の移動速度のおよそ半分の速度で移動する。
4)ロータ回転面で内部の渦は単純運動量理論から導かれる流入速度vで下方に移動する。上記の式(1)に従い放出渦の半径が収縮するにつれ速度が速くなり、次式で与えられるv'の速度で移動する。
Here, the method of Adkins et al. Can handle only the wake with a constant pitch and a constant radius, as shown in a) of FIG. On the other hand, by using Harada's vortex method (see Non-Patent Document 5, which will be described later), which is the inventor of the present invention, the shape of the wake can be further determined as follows.
1) As shown in b) of FIG. 2, the wing tip vortex radius r is given by the following equation r / R = A + (1-A) e −λψ (1).
Shrinks according to. Here, R is the rotor radius, and A is a constant obtained from the experiment, which is 0.76 to 0.8, preferably 0.78. Also, λ is a constant obtained by experiment, and ψ is the blade azimuth.
2) As shown in a) of FIG. 3, the emission vortices in the range of the pitch of the spiral vortex from the wing tip immediately roll up to become the wing tip vortex 1 and move as a group.
3) The wing tip vortex 1 moves at a speed approximately half the moving speed of the vortex inside the wing tip vortex 1.
4) On the rotating surface of the rotor, the internal vortex moves downward at the inflow velocity v derived from the simple momentum theory. According to the above equation (1), the velocity increases as the radius of the emission vortex contracts, and the velocity moves at the velocity of v'given by the following equation.

v'=v(R/r) (2)
5)翼端渦1の模擬は困難であるため、図3のb)で示す様に翼端渦として一群になる渦を半径方向に移動させず等速度で移動させるモデル2を用いる。
v'= v (R / r) 2 (2)
5) Since it is difficult to simulate the wing tip vortex 1, a model 2 is used in which a group of vortices as a wing tip vortex is moved at a constant velocity without moving in the radial direction as shown in b) of FIG.

このような後流渦を用い、Adkinsらの方法では大きくなりすぎる付根付近の翼弦長を、原田の渦法から得られる評価関数を翼弦長の制約条件の下で最小化する事で、適度な翼弦長を持つロータ6を得る事が出来る。 By using such a wake vortex and minimizing the chord length near the root, which is too large by the method of Adkins et al., The evaluation function obtained from Harada's vortex method is minimized under the constraint of chord length. It is possible to obtain a rotor 6 having an appropriate chord length.

この実施形態では、以下の形状のロータ6を得る。
1.ソリディティが0.1以下であるロータ6でかつ
2.ブレード3の枚数が2枚であり、
3.翼弦長は付根から先端にかけて1階微分が連続な曲線であり、
4.半径10%から35%に最大翼弦長をもち、
5.そこから先端方向にかけて翼弦長が減少し
6.減少が一旦最大になった後に、減少がゆるやかになり、半径70%から95%に変曲点があり、
7.先端が楕円形であり、
8.翼弦に2点で接する接線が翼端で作る仮想の翼端の翼弦長に対し、最大翼弦長は3倍以上の長さであり、
9.半径中程のくびれ量は仮想の翼端の30%以下であり、
10.取付け角は翼弦長が最大になる付近で最大となり、そこから先端にかけて減少し
11.付け根の取付け角は最大値を取る位置から付け根に行くほど減少している。
In this embodiment, a rotor 6 having the following shape is obtained.
1. 1. Rotor 6 with solidity of 0.1 or less and 2. The number of blades 3 is 2,
3. 3. The chord length is a curve with continuous first derivative from the root to the tip.
4. Has a maximum chord length from 10% to 35% radius,
5. 6. The chord length decreases from there to the tip. After the decrease was maximized, the decrease became gradual, with an inflection point from 70% to 95% radius.
7. The tip is oval,
8. The maximum chord length is more than three times as long as the hypothetical chord length created by the tangent line that touches the chord at two points.
9. The amount of constriction in the middle of the radius is less than 30% of the virtual wing tip,
10. The mounting angle becomes maximum near the maximum chord length, and decreases from there to the tip. The attachment angle of the base decreases from the position where the maximum value is taken toward the base.

この形状のロータ6を使用する事で高いフィギュアオブメリットを得つつ、高い捻れ剛性を確保出来る。 By using the rotor 6 having this shape, it is possible to secure high torsional rigidity while obtaining a high figure of merit.

図4に原田の渦法を図2のa)の渦モデルを用いて最適化した際の翼弦長分布を、また図5に取付け角分布を示す。ここで計算条件を表1に示す。 FIG. 4 shows the chord length distribution when the Harada vortex method is optimized using the vortex model of FIG. 2a), and FIG. 5 shows the mounting angle distribution. Here, the calculation conditions are shown in Table 1.

Figure 0006856930
Figure 0006856930

本形状は図4に示すように付け根の翼弦長が12cmに達しているため、実際的ではない。市販のドローンの中にはこのブレード3の付け根の翼弦長を単に実用的な長さに切り落として使用している例がある。 This shape is not practical because the chord length at the base reaches 12 cm as shown in FIG. In some commercially available drones, the chord length at the base of the blade 3 is simply cut off to a practical length.

原田の渦法は評価関数を最小化する事で解を得るので、翼弦長が4cmを超えると値が大きくなるペナルティ関数を評価関数に加えることで翼弦長の制限を課す事が出来る。原田の渦法において図2のa)の渦モデルを用い、さらに翼弦長を制限して最適化した際の翼弦長分布を図6に、また取付け角分布を図7に示す。このときのフィギュアオブメリットは89.4%である。 Since Harada's vortex method obtains a solution by minimizing the evaluation function, it is possible to impose a limit on the chord length by adding a penalty function that increases in value when the chord length exceeds 4 cm to the evaluation function. FIG. 6 shows the chord length distribution and FIG. 7 shows the attachment angle distribution when the vortex model of FIG. 2a) is used in the Harada vortex method and the chord length is further limited and optimized. The figure of merit at this time is 89.4%.

得られた翼弦分布に二点で接する線分ABの翼端Cにおける値、仮想の翼端翼弦長Dは1.36cm程度である。一方、半径Eにおいて翼弦長Fは最大値4.79cmをとり、仮想の翼端翼弦長Dの3.5倍である。また翼端付近で翼弦長はなだらかに減少するが、翼端Cにおいて切り落とした形状になっている。Mで示した半径中程のくびれは0.32cmであり、仮想の翼端の翼弦長の23%である。 The value at the tip C of the line segment AB tangent to the obtained chord distribution at two points, the virtual tip chord length D is about 1.36 cm. On the other hand, in the radius E, the chord length F has a maximum value of 4.79 cm, which is 3.5 times the virtual wing tip chord length D. Further, the chord length gradually decreases near the wing tip, but the shape is cut off at the wing tip C. The constriction in the middle radius indicated by M is 0.32 cm, which is 23% of the chord length of the virtual wing tip.

また得られた取付け角は翼弦長が最大値を取る半径Eに近い半径Iにおいて最大値9.32度を取る。付け根付近の取付け角分布への接線KLは正の勾配を持つ。 Further, the obtained mounting angle has a maximum value of 9.32 degrees at a radius I close to a radius E at which the chord length takes a maximum value. The tangent KL to the mounting angle distribution near the base has a positive gradient.

原田の渦法において図3のb)のモデルを用い、さらに翼弦長を制限して最適化した際の翼弦長分布を図8に、また取付け角分布を図9に示す。このときのフィギュアオブメリットは89.5%である。 FIG. 8 shows the chord length distribution when the model of b) in FIG. 3 is used in Harada's vortex method, and the chord length is further limited and optimized, and the attachment angle distribution is shown in FIG. The figure of merit at this time is 89.5%.

得られた翼弦分布に二点で接する線分ABが翼端Cにおける値、仮想の翼端翼弦長Dは1.25cm程度である。一方、半径Eにおいて翼弦長Fは最大値4.94cmをとり、仮想の翼端翼弦長Dの4.0倍である。また翼端付近で翼弦長はなだらかに減少するが、翼端C近傍で急に減少し、翼端が楕円形状になっている。Mで示した半径の中程で現れるくびれ量は、0.14cmと仮想の翼端の翼弦長の11%に抑えられる。 The line segment AB tangent to the obtained chord distribution at two points is the value at the tip C, and the virtual tip chord length D is about 1.25 cm. On the other hand, in the radius E, the chord length F has a maximum value of 4.94 cm, which is 4.0 times the virtual wing tip chord length D. Further, the chord length gradually decreases near the wing tip, but suddenly decreases near the wing tip C, and the wing tip has an elliptical shape. The amount of constriction that appears in the middle of the radius indicated by M is 0.14 cm, which is suppressed to 11% of the chord length of the virtual wing tip.

また得られた取付け角は翼弦長が最大値を取る半径Eに近い半径Iにおいて最大値9.0度を取る。付け根付近の取付け角分布への接線KLは正の勾配を持つ。 Further, the obtained mounting angle has a maximum value of 9.0 degrees at a radius I close to a radius E at which the chord length takes a maximum value. The tangent KL to the mounting angle distribution near the base has a positive gradient.

図9で示した翼弦長を用いて設計したロータ6が図1に示したものである。 The rotor 6 designed using the chord length shown in FIG. 9 is shown in FIG.

本発明に係るロータ6は、ドローンのロータブレード、固定ピッチ同軸二反転ロータ式有人ヘリコプタのロータブレード、固定ピッチ同軸二重反転ロータ式無人ヘリコプタのロータブレード等に用いる事が出来る。 The rotor 6 according to the present invention can be used for a drone rotor blade, a fixed pitch coaxial counter-rotor type manned helicopter rotor blade, a fixed pitch coaxial double-rotor rotor type unmanned helicopter rotor blade, and the like.

本発明は、上記の実施形態には限定されず、その技術思想の範囲で様々な変形が可能であり、その変形の範囲も本発明の技術的範囲に属するものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea, and the range of the modifications also belongs to the technical scope of the present invention.

次に、上述した原田の渦法を説明する。 Next, the Harada vortex method described above will be described.

図10にプロペラの座標系と放出渦を示す。プロペラは回転しながらx軸方向に移動し、移動した軌跡に放出渦が残されると考える。 FIG. 10 shows the coordinate system of the propeller and the emission vortex. It is considered that the propeller moves in the x-axis direction while rotating, and a emission vortex is left in the moved trajectory.

図11に一枚目のブレードの拡大図を示す。回転軸からr離れたブレード上にi番目の代表点があり、j番目の放出渦は図中白丸で示された様に短い線分に離散化する。j番目の単位強度の放出渦がi番目の代表点に引き起こすx方向の誘導速度をXij、z方向の誘導速度をZijとすると、i番目の代表点に引き起こされるx方向の誘導速度u、z方向の誘導速度wはそれぞれ
=ΣXijг (3)
=ΣZijг (4)
で与えられる。ここで、Xij、Zijはビオサバールの法則から得られる定数であり、гはj番目の放出渦である。
FIG. 11 shows an enlarged view of the first blade. There is an i-th representative point on the blade r i away from the axis of rotation, and the j-th emission vortex is discretized into short line segments as shown by the white circles in the figure. Assuming that the induction velocity in the x direction caused by the emission vortex of the jth unit intensity at the i-th representative point is X ij and the induction velocity in the z direction is Z ij , the induction velocity in the x direction caused by the i-th representative point u i, each guiding speed w i the z-direction u i = ΣX ij г j ( 3)
w i = ΣZ ij г j (4)
Given in. Here, X ij and Z ij are constants obtained from Biot-Savart's law, and г j is the j-th emission vortex.

図12にブレードの断面と流入速度を示す。ブレードに流入する空気の接線方向成分をUとするとU
=rΩ−w (5)
で与えられる。ここでΩはプロペラの回転角速度である。またブレードに流入する空気の軸方向成分をUとするとU
=U−u (6)
で与えられる。ここでUはプロペラの前進速度である。流入角φ及び流入速度Vはそれぞれ次式で与えられる。
FIG. 12 shows the cross section of the blade and the inflow velocity. When the tangential component of the air flowing into the blades and U T U T is U T = r i Ω-w i (5)
Given in. Here, Ω is the rotational angular velocity of the propeller. Further, when the axial component of the air flowing into the blades and U P U P is U P = U-u i ( 6)
Given in. Where U is the forward speed of the propeller. Each inflow angle phi i and inlet velocity V i is given by the following equation.

φ=tan−1(U/U) (7)
=√(U +U ) (8)
図13にブレード翼素に働く力を示す。i番目の翼素に働く局所揚力dLはクッタ=ジューコフスキーの定理により
dL=ρVгdb (9)
で与えられる。ここでρは空気密度、dbは翼素の幅である。または、揚力係数Cを用いて
dL=1/2・ρV db (10)
で表される。ここで、cはi番目の翼素の翼弦長である。(9)、(10)式よりcは次式で与えられる。
φ i = tan -1 (U P / U T) (7)
V i = √ (U P 2 + U T 2) (8)
FIG. 13 shows the force acting on the blade blade element. The local lift dL i acting on the i-th wing element is based on the Kutta-Jukowski theorem dL i = ρV i г i db (9).
Given in. Here, ρ is the air density and db is the width of the blade element. Or, by using the lift coefficient C L dL i = 1/2 · ρV i 2 C L c i db (10)
It is represented by. Here, c i is the chord length of the i-th blade element. (9), c i from equation (10) is given by the following equation.

=2г/C (11)
i番目の翼素に働く局所抵抗dDは抵抗係数Cを用いて次式で与えられる。
c i = 2г i / C L V i (11)
i-th local resistance dD i acting on blade element of is given by the following equation using the resistance coefficient C D.

dD=1/2・ρV db (12)
はレイノルズ数とCの関数であるが、Cに定数を用い、Cがレイノルズ数に対しては鈍感であるとして定数としてよい。
dD i = 1/2 · ρV i 2 CD d c i db (12)
C D but is a function of the Reynolds number and C L, using a constant C L, C D is good as a constant as a insensitive to Reynolds number.

局所揚力dLと局所抵抗dDの合力の軸方向分力は局所推力dTとなり、接線方向分力をdNとするとそれぞれ、
dT=dLcosφ−dDsinφ (13)
dN=dLsinφ+dDcosφ (14)
となる。局所吸収パワdPはdNΩであるから次式で与えられる。
The axial component of the resultant force of the local lift dL i and the local resistance dD i is the local thrust dT i , and the tangential component is dN i , respectively.
dT i = dL i cosφ i − dD i sinφ i (13)
dN i = dL i sinφ i + dD i cosφ i (14)
Will be. Since the local absorption power dP i is dN i r i Ω, it is given by the following equation.

dP=(dLsinφ+dDcosφ)rΩ (15)
結局、推力と吸収パワは(13)式と(15)式よりそれぞれ
T=BΣdT (16)
P=BΣdP (17)
で与えられる。ここでBはブレード枚数である。
dP i = (dL i sinφ i + dD i cosφ i ) r i Ω (15)
After all, the thrust and absorption power are T = BΣdT i (16) from equations (13) and (15), respectively.
P = BΣdP i (17)
Given in. Here, B is the number of blades.

プロペラの最適設計問題はC、C、Ω、設計パワPを設定し、гiを未知数として Optimal design problem of propeller C L, C D, Ω, to set the design power P 0, as unknowns гi

[条件]:P=P
のもと
[Condition]: P = P 0
Under

[目的関数]:−T
を最小化する
最適化問題に帰着する。
[Objective function]: -T
It comes down to an optimization problem that minimizes.

1 翼端渦
2 翼端渦のモデル
3 ブレード
4 ハブ
5 シャフト穴
6 ロータ
1 Wing tip vortex 2 Wing tip vortex model 3 Blade 4 Hub 5 Shaft hole 6 Rotor

Claims (4)

ソリディティが10%以下となるロータであり、
2枚のブレードを有し、
前記各ブレードの形状が、
半径10%から35%の領域に最大翼弦長をもち、
前記最大翼弦長の位置から先端方向にかけて翼弦長が減少し、
前記翼弦長の減少が所定の位置で最大になり、その位置から先端方向にかけて前記翼弦長の減少がゆるやかになり、
半径70%から95%の領域に変曲点があり、
先端が楕円形であり、
翼弦に2点で接する接線が翼端で作る仮想の翼端の翼弦長に対し、最大翼弦長は3倍以上の長さであり、
半径中程のくびれ量は仮想の翼端の30%以下であり、
取付け角は前記翼弦長が最大になる付近で最大となり、前記翼弦長が最大に位置から先端にかけて減少し、
付け根の前記取付け角は当該取り付け角が最大値を取る位置から付け根に行くほど減少している
ロータ。
A rotor with a solidity of 10% or less,
Has two blades,
The shape of each blade
It has a maximum chord length in the region with a radius of 10% to 35%, and has a maximum chord length.
The chord length decreases from the position of the maximum chord length toward the tip,
The decrease in chord length is maximized at a predetermined position, and the decrease in chord length becomes gradual from that position toward the tip.
There is an inflection point in the area with a radius of 70% to 95%,
The tip is oval,
The maximum chord length is more than three times as long as the hypothetical chord length created by the tangent line that touches the chord at two points.
The amount of constriction in the middle of the radius is less than 30% of the virtual wing tip,
The mounting angle becomes maximum near the maximum chord length, and the chord length decreases from the maximum position to the tip.
The mounting angle of the base decreases from the position where the mounting angle takes the maximum value toward the base.
請求項1に記載のロータであって、
前記各ブレードの形状が、
翼弦長は付根から先端にかけて1階微分が連続な曲線である
ロータ。
The rotor according to claim 1.
The shape of each blade
The chord length is a rotor with a continuous first derivative from the root to the tip.
請求項1又は2に記載のロータを有するドローン。 A drone having a rotor according to claim 1 or 2. 請求項1又は2に記載のロータを有するヘリコプタ。 A helicopter having a rotor according to claim 1 or 2.
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