CN103967718B - 三维曲面翼型的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维曲面翼型的设计方法，它不仅针对可再生能源类的风力发电机叶片，也可以针对各类有旋转翼的飞行器，喷气发动机，蒸汽/燃气轮机和特大型水轮机叶片等，可作为构筑各种机翼，旋翼和叶片的基本几何单元。本发明在现有二维平面包络线(美国的NACA系列、俄罗斯的TsAGI系列和欧洲的FFA系列和其他y值纵坐标修正翼型系列等)基础上，将在叶片长度方向旋转半径R确定的柱体上贴体生成三维曲面翼型。通过构建优化三维曲面翼型进而改变叶片的气动外形，在相同材料和结构布置的基础上，提高旋转叶片气动采力效率。

Description

三维曲面翼型的设计方法

技术领域

本发明涉及一种三维曲面翼型的设计方法，它不仅针对可再生能源类的风力发电机叶片，也可以针对各类有旋转翼的飞行器，喷气发动机，蒸汽/燃气轮机和特大型水轮机叶片等，可作为构筑各种机翼，旋翼和叶片的基本几何单元。

背景技术

直升机是以旋翼为其主要升力来源的垂直起落飞行器，它的垂直起降、空中悬停等性能都在很大程度上取决于旋翼的气动特性的好坏，而这与旋翼桨叶的气动外形有着十分密切的关系。因而作为旋翼桨叶气动外形基本元素的旋翼翼型对直升机旋翼流场和气动特性有着重要的影响，在提高直升机的机动性、巡航速度和减弱噪声特性等方面亦具有显著的作用。因此，开展先进的直升机旋翼翼型气动设计研究对提高旋翼性能从而改善直升机性能具有十分重要的意义。目前国外先进的直升机均配备了旋翼专用翼型，如俄罗斯的米-28N浩劫武装直升机因为采用了新型TsAGI系列翼型，使其在飞行中能够连续完成涅斯捷罗夫翻转、殷麦曼翻转、死筋斗及横滚等动作，而这些高难度的特技飞行动作在米-28N直升机问世前只有战斗机才能完成。由此可见，该直升机旋翼翼型性能已达到了较高水平，主要表现在升力的提高、失速特性的改善、噪声水平的降低等方面。在国内，尽管直升机旋翼气动设计技术取得了很大的进步，但在旋翼翼型设计技术方面与先进国家尚存在很大的差距，尚没有拥有一套自主知识产权的直升机专用翼型。因此值得深入开展直升机新型翼型的设计研究工作。然而，进行直升机旋翼翼型的设计又是一项相当艰巨的工作。首先，由于加入了桨叶的旋转，各剖面翼型的相对来流速度沿展向由低速连续变化到高速，使桨叶间气动干扰剧烈，流场存在桨-涡干扰现象，以及复杂的螺旋尾迹，并且在大速度前飞时，前行桨叶可能会出现激波失速，后行桨叶可能会出现气流分离等现象，导致直升机旋翼的流场十分复杂，很难准确地对它进行数值模拟。其次，虽然目前翼型设计方法取得了很大的进步，但是它们都有各自的不足，发展还不够完善。

早期的翼型研究是依靠设计人员的经验，并依赖于风洞试验进行的，这期间比较有代表性的翼型有美国的NACA系列、俄罗斯的TsAGI系列和欧洲的FFW系列等。上世纪五十年代，尤其是进入跨音速、超音速时代之后，由于试验条件等的限制，单纯依靠经验和风洞试验已经不能满足要求，翼型发展变得十分缓慢。进入七十年代之后，随着计算机能力和数值计算方法的发展，翼型的设计水平大大提高。特别是计算流体力学(CFD)方法在节约研制成本，缩短研发周期，减少设计成本方面的优势得以充分发挥，因此，基于CFD方法的翼型设计已经成为研究热点。

为了有效的利用来自空气的力量，人们都会采用有特定气动外形的结构体，如飞机的机翼，俗称“翅膀”，风力发电机的叶片等来达到这个目的。目前这些特定考究的外形又都无一例外地采用各类平面翼型(Airfoil)组合的方式来构造的，即旋翼和叶片的翼型均为二维平面翼型叠加而成，如图1、图2、图3。目前世界所有翼型数据库均为二维翼型数据。其几何包络构成先计算中骨线：

然后计算翼型上弧线坐标(x_U，y_U)和下弧线坐标(x_L，y_L)：

x_U＝x-y_tsinθ， yU＝y_c+y_tcosθ，

x_L＝x-y_tsinθ， y_L＝y_c-y_tcosθ，

其中，

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{dy}}_c}{\mathrm{dx}}\right).$

按坐标即可绘出翼型包络图，见图4。

这个翼型包络线因为是平面的，二维平面翼型作转动时，它的扫略轨迹在旋转平面内会形成一个圆环面，其缺陷在于：因二维平面翼型几何包络不像平动，在旋转情况下，将不能与来流欧拉流线实现全通力学包裹作用。

发明内容

本发明的任务在于通过构建优化三维曲面翼型进而改变叶片的气动外形，在相同材料和结构布置的基础上，提高旋转叶片气动采力效率。

本发明的三维曲面翼型就是从运动学的角度出发形成的，见图6。

经分析，飞机机翼的采力主要处于平动这种运动状态，而直升机旋翼和风力发电机叶片的采力则处于旋转这种运动状态。本三维曲面翼型发明在运动学和空气动力学上将更符合和改进旋转叶片及旋转翼的采力功能。

本发明在上述二维平面包络线(美国的NACA系列、俄罗斯的TsAGI系列和欧洲的FFA系列和其他y值纵坐标修正翼型系列等)基础上，将在叶片长度方向旋转半径R确定的柱体上贴体生成三维曲面翼型。根据图5贴体弦长生长关系式为：

z₂ ²＝R²-x₂ ²

此时，弦线变成了贴体曲线，ΔL为弦线到下一个坐标点的增量。∑ΔL＝该处叶片弦长。最后，翼型包络线在三维空间(柱形体上)的坐标，上弧线为(X_U，y_U，z_U)；下弧线为(x_L，y_L，Z_U)，这即构成了旋转叶片的三维曲面翼型，见图6。

本发明的具体步骤如下：

1、一种三维曲面翼型的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

a)提取常规2-D翼型弧线坐标数据(x₁，y₁)，(x₂，y₂)...；根据常规翼型坐标数据，计算弦线各x坐标点间的增量ΔL₁，ΔL₂...ΔL_i(ΔL_i＝X_i+1-X_i)；确定根据设计拟布置的翼型的旋转半径R；

b)选择x₁＝z₁＝0.707R；此时y₁＝0；

c)将x₁，z₁，ΔL₁和R带入公式

z₂ ²＝R²-x₂ ²

d)计算出x₂，z₂；

e)构建三维翼型弧线坐标数据(x₂，z₂，y₂)，注：y₂仍然为2-D翼型厚度坐标值；

递进地重复步骤(d)、(e)，相应得到翼型弧线三维坐标簇，(x₃，z₃，y₃)。

上述的y_i仍然为2-D翼型厚度坐标值，也可以为其他翼型系列的y修正值。

对于工业应用发明，它最大的连带优点是，通过构建优化三维曲面翼型进而改变叶片的气动外形，在相同材料和结构布置的基础上，提高旋转叶片气动采力效率。

附图说明

图1.为现有的由不同二维平面翼型组合而成的飞机机翼结构图

图2.为现有由各种二维平面翼型组合而成的风力发电机叶片气动外形透视图；它们的弦长，扭角都依据一定的规律进行变化。

图3.为现有由特定翼型构成的蒸汽轮机叶片和直升机旋翼形示意图；它们均是由二维平面翼型构成。

图4.为现有的平面翼型包络图

图5.为本发明的弦线坐标沿旋转柱形贴体生长关系示意图

图6.为本发明的旋转叶片的三维曲面翼型(B)与二维平面翼型(A)比较示意图

具体实施方式

下表是本发明的三维曲面翼型在旋转柱体(R＝10.26m)上的三维坐标值，为本发明的一个具体实施例。每行前三1组数据为上弧线三维坐标；每行后三1组数据为下弧线三维坐标。

本发明具体步骤描述为：

f)提取任何常规2-D翼型上弧线(或下弧线)坐标数据(x₁，y₁)，(x₂，y₂)…

g)根据常规翼型坐标数据，计算弦线各x坐标点间的增量ΔL₁，ΔL₂，…ΔL_i(ΔL₁＝X_i+1-X_i)

h)确定根据设计拟布置的翼型(包括旋翼和旋转叶片)所在旋转半径(位置)R

i)选择x₁＝z₁＝0.707R；此时y₁＝0。

j)将x₁，z₁，ΔL1和R带入公式

z₂ ²＝R²-x₂ ²

计算出x₂，z₂

k)构建三维翼型弧线坐标数据(x₂，z₂，y₂)。

注：y₂，…y_i仍然为2-D翼型厚度坐标值和其他翼型系列的y修正值。

1)递进地重复步骤(e)、(f)，相应得到翼型上弧线(或下弧线)三维坐标簇，

(x₃，z₃，y₃)

(x₄，z₄，y₄)

…，…

(x_i，z_i，y_i)。

Claims (3)

1.一种三维曲面翼型的设计方法，其特征在于，所述三维曲面翼型是常规二维平面翼型沿翼型旋转柱体贴合而生成的曲面翼型，所述设计方法包括以下步骤：

a)提取常规二维平面翼型弧线坐标数据(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)...；根据所述坐标数据，计算弦线各x坐标点间的增量ΔL_i＝X_i+1-X_i；

b)确定拟布置的翼型的旋转半径R；

c)令三维曲面翼型的坐标为(x_i，z_i，y_i)，其中x_i为沿翼型的旋转平面上的横向的坐标，z_i为沿翼型的旋转平面上的纵向的坐标，y_i为沿翼型的旋转平面的法向的坐标，x₁＝z₁＝0.707R，y₁＝0；

d)将x_i，z_i，ΔL_i和R带入公式，i的初始值为1，

${x_{i+1}}^2=\frac{R^2}{{\tan }^2\[\frac{{\mathrm{\ΔL}}_i}{R}+\arctan \left(\frac{z_i}{x_i}\right)\]+1}$

z_i+1 ²＝R²-x_i ²

计算出x_i+1、z_i+1；

e)使i递增，递进地重复步骤(d)，相应得到三维曲面翼型的弧线三维坐标簇，(x₂，z₂，y₂)、(x₃，z₃，y₃)……。

2.根据权利要求1所述的三维曲面翼型的设计方法，其特征在于y_i为二维翼型厚度坐标值。

3.根据权利要求1所述的三维曲面翼型的设计方法，其特征在于y_i为二维翼型系列的y修正值。