CN104915476B - 一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法，将开式螺旋桨某攻角下的拉力系数与前进比关系用方程拟合；确定涵道拉力因子q和出口面积比σ；涵道拉力因子q利用薄圆柱涵道螺旋桨估算公式；输入转速和当前前进比得到开式螺旋桨拉力T1，通过式子求出初始V1，根据公式计算等效来流速度V0；由等效来流V0与当前转速得到等效前进比λn；判断收敛。简单易操作，无需进行试验或大规模的计算流体力学运算，具有很大的运算经济性和便捷性。
Description
技术领域
本发明属于航空螺旋桨技术领域，涉及一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法。
背景技术
涵道螺旋桨是一种被涵道环括作用下的螺旋桨。由于本发明所涉及涵道螺旋桨主要用于飞行器悬停及小速度垂直起降，即轴向仅存在较小来流速度，故此类涵道螺旋桨设计均不考虑大前进比工况。考虑最常用的工况并便于理论分析研究，本发明的等效前进比均基于涵道螺旋桨的悬停工况进行。
悬停工况的涵道螺旋桨产生升力源自于涵道和螺旋桨两部分。涵道可以从一维流道角度进行考虑，从常压通过收缩流管逐渐增速到桨盘，过程中气压下降。通过桨盘区域，有能量输入，导致气流压力产生阶跃增加。桨盘前后压力差即为螺旋桨所产生拉力。
由于涵道唇口抽吸作用，相对于孤立螺旋桨，在桨盘处气流诱导速度增大，桨叶有效攻角因此减小，故而使得桨旋转阻力距和升力同时减小，此效应相当于螺旋桨处于涵道诱导产生的轴向来流下工作，此因素和涵道拉力因子有关，与流道单位时间的气流通量直接相关，涵道诱导速度的大小与螺旋桨转速、攻角等情况相关。
目前螺旋桨设计目前应用最为广泛的方法是图谱设计法，图谱法就是按照所给的各种不同的螺旋桨族的空气动力学特性曲线来选择螺旋桨，过程中根据给定高度、飞行速度、功率和发动机转数等条件在图谱所提供的螺旋桨资料范围中选择最适宜的方案。图谱设计法中的数据均来源于螺旋桨系列实验，设计结果较为可靠，计算方法简便，加上多年的发展形成了完整的各种图谱体系，有丰富的相关模型试验资料可供图谱设计参考使用。目前绝大多数螺旋桨设计依靠图谱法，且各国的设计图谱越来越全面。
螺旋桨设计的初始条件包括功率、几何约束、设计工况点。螺旋桨设计时的常用工况前进比与螺旋桨轴向前进速度和螺旋桨转速相关，在悬停或小速度时传统方法计算的前进比为0或较小数值。对于涵道螺旋桨由于涵道的诱导作用，即使在涵道螺旋桨悬停工况下，螺旋桨桨盘实际也处于一个等效的较大的前进比工况下，相当于螺旋桨工作在一定流速的前方来流中，这就使得传统的螺旋桨设计中，悬停螺旋桨设计工况为前进比为0的条件不适合用于涵道内螺旋桨设计。但是目前尚无任何针对此等效前进比的估计手段，初步设计中无法计入涵道诱导所产生的等效来流作用，所以设计涵道内螺旋桨的初始条件存在较大误差，增加了设计中迭代修订次数。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法，解决了现有技术中存在的问题，通过已知螺旋桨和涵道，推算出涵道和螺旋桨联合作用下的工况，计算出螺旋桨工况点的迁移情况，得到涵道作用下的等效的前进比，简单易操作，无需进行试验或大规模的计算流体力学运算，具有很大的运算经济性和便捷性。
本发明所采用的技术方案是，一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法，按照以下步骤进行：
步骤1，将开式螺旋桨某攻角下的拉力系数与前进比关系用方程拟合；
步骤2，确定涵道拉力因子q和出口面积比σ；
涵道拉力因子q利用薄圆柱涵道螺旋桨估算公式，L为涵道长度，D为桨盘直径；
对于低速悬停飞行器一般有L/D大于0.2，则有涵道拉力因子
步骤3、输入转速和当前前进比得到开式螺旋桨拉力T1，其中第一次计算初始迭代以λ＝0开始；
步骤4、通过式子求出初始V1，根据公式计算等效来流速度V0；
A1为桨盘面积，V1为桨盘处轴向气流速度，A2D为尾流滑流面积，ρ为气体密度，q为涵道拉力因子；
步骤5、由等效来流V0与当前转速得到等效前进比λn，其中n表示第n次计算所得到的；
步骤6、判断收敛，如果结果收敛，即则输出等效前进比及等效来流速度，如不收敛，返回步骤3，进行下一次循环计算。
本发明的特征还在于，
步骤4中通过以下步骤得到：
T1为桨盘拉力，T2为涵道螺旋桨总拉力，
m为单位时间桨盘通过气体质量，ΔV是桨盘前后轴流速度增量，A1为桨盘面积，V1为桨盘处轴向气流速度，A2D为尾流滑流面积，ρ为气体密度，
由于涵道中拉力分配关系，可知
q为涵道拉力因子，即涵道螺旋桨中涵道产生拉力与总体拉力的比值，涵道拉力与螺旋桨拉力之和为涵道螺旋桨总体拉力，
故有
T1＝V1A1ρ(V2-V0) (4)
V2为开式桨尾流滑流速度，则有
V2-V0＝2(V1-V0) (5)
联立以上四式可得：
即等效来流速度
当开式螺旋桨工况下，即q＝0，此时有等效来流速度V0＝0。
对于开式螺旋桨工况，桨盘拉力为
T1＝2V1A1ρ(V1-V0)， (0.1)
当悬停工况时
当有前方来流时，
因为桨盘处诱导作用的加速效果，有V1>V0，解此二元方程可得：
本发明的有益效果是：通过已知螺旋桨和涵道，推算出涵道和螺旋桨联合作用下的工况，计算出螺旋桨工况点的迁移情况，得到涵道作用下的等效的前进比。方法仅需要简单数学运算，即可得到涵道内螺旋桨的等效前进比工况，进而指导螺旋桨设计工况点的调整。本方案简单易操作，无需进行试验或大规模的计算流体力学运算，具有很大的运算经济性和便捷性。
附图说明
图1是等效前进比工况图。
图2是等效前进比理论与仿真三维流程计算结果对比图。
图3是某螺旋桨各桨距角下的等效前进比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法，按照以下步骤进行：
前进比又叫进距比，定义为其中V0为来流速度，单位m/s。对于悬停工况螺旋桨，V0＝0m/s，n为螺旋桨的旋转速度，单位r/s，D螺旋桨直径。
本发明提出的等效前进比，就是假定悬停工况的涵道螺旋桨环括作用下的螺旋桨，所处的等效工况是开式螺旋桨以相同转速工作在V0的等效前方来流工况下。其中V0认为是由涵道拉力所引起的诱导速度部分。
如图1所示，T1为桨盘拉力，T2为涵道螺旋桨总拉力。
m为单位时间桨盘通过气体质量，ΔV是桨盘前后轴流速度增量，A1为桨盘面积，V1为桨盘处轴向气流速度，A2D为尾流滑流面积，ρ为气体密度，A2是孤立螺旋桨滑流面积。
由于涵道中拉力分配关系，可知
q为涵道拉力因子，即涵道螺旋桨中涵道产生拉力与总体拉力的比值。涵道拉力与螺旋桨拉力之和为涵道螺旋桨总体拉力。
故有
T1＝V1A1ρ(V2-V0) (4)
V2为开式桨尾流滑流速度，则有
V2-V0＝2(V1-V0) (5)
联立以上四式可得：
即等效来流速度
当开式螺旋桨工况下，即q＝0，此时应有等效来流速度V0＝0，这也反映了该结论的通用意义。
对于开式螺旋桨工况，桨盘拉力为
T1＝2V1A1ρ(V1-V0)， (0.5)
当悬停工况时
当有前方来流时，
因为桨盘处诱导作用的加速效果，必有V1>V0，解此二元方程可得：
基于等效前进比的研究，已知开放式螺旋桨的拉力特性曲线，根据涵道的拉力系数和出口面积比参数即可对涵道螺旋桨联合工作性能进行预测分析。
计算过程如下：
步骤1，将开式螺旋桨某攻角下的拉力系数与前进比关系用方程拟合；
步骤2，确定涵道拉力因子q和出口面积比σ；
涵道拉力因子q可利用薄圆柱涵道螺旋桨估算公式，L为涵道长度，D为桨盘直径；
对于低速悬停飞行器一般有L/D大于0.2，则有涵道拉力因子
步骤3，输入转速和当前前进比得到开式螺旋桨拉力T1，其中第一次计算初始迭代以λ＝0开始；
步骤4、通过式子求出初始V1，根据公式计算等效来流速度V0；
步骤5、由等效来流V0与当前转速得到等效前进比λn，其中n表示第n次计算所得到的；
步骤6、判断收敛，如果结果收敛，即则输出等效前进比及等效来流速度，如不收敛，返回步骤3，进行下一次循环计算。
以下内容作为具体实施的一个例子。
如图2所示，对于某可变距螺旋桨，通过本等效理论计算桨距角为19.8°时，涵道螺旋桨总拉力随转速变化的情况，将等效前进比理论计算结果与实验结果的对比，通过估算结果数值和趋势都符合试验得到结果，可以作为对螺旋桨在涵道作用下等效前进比工况的推算方法。需要注意的是，等效理论计算结果与实际情况相比均偏小，这可能是由于本算法中无法精确理论计入桨尖损失差异，所采用的开式螺旋桨桨尖损失比在涵道环括作用下的较大，使得等效前进比下拉力系数偏小，引起总体拉力计算值偏小。但是总体曲线变化趋势与实际结合紧密，数值误差在10％以内，可见此理论有较好的实用性能，可以作为涵道螺旋桨设计和性能预测的理论估算。具体实施过程中可以根据桨尖间隙来设定针对桨尖损失的修正系数，调整等效前进比桨盘拉力，以获得估算的精度提高。
基于本等效前进比计算理论，经计算涵道螺旋桨悬停工况时，某型号螺旋桨的等效工况如图3所示，原始安装攻角为9.8°，图中坐标所示均为相对攻角，可以看到在各个相对攻角下，螺旋桨工作的等效前进比随攻角增大而增大，也就相当于随拉力系数增大而增大。以桨距角19.8°(即图中相对攻角10°)为例，涵道螺旋桨悬停时，该螺旋桨相当于开式螺旋桨前进比为0.43的工况，故设计工况为前进比＝0是不适合涵道螺旋桨工况的。
所以针对涵道使用的螺旋桨设计应当在设计中注意以下两点：
(1)考虑涵道约束的涡强度分布差异，适当增加桨尖部分弦长，充分利用桨尖部分可产生的拉力。
(2)通过等效前进比的计算，判定螺旋桨工作的实际来流等效前进比，设计选用适合的翼型和扭角分布，以提高螺旋桨在该等效前进比下的效率及拉力品质因数。
Claims (2)
1.一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，将开式螺旋桨某攻角下的拉力系数与前进比关系用方程拟合；
步骤2，确定涵道拉力因子q和出口面积比σ；
涵道拉力因子q利用薄圆柱涵道螺旋桨估算公式，L为涵道长度，D为桨盘直径；
对于低速悬停飞行器有L/D大于0.2，则有涵道拉力因子
步骤3、输入转速和当前前进比得到桨盘拉力T1，其中第一次计算初始迭代以λ＝0开始；
步骤4、通过式子求出初始V1，根据公式计算等效来流速度V0；
A1为桨盘面积，V1为桨盘处轴向气流速度，A2D为尾流滑流面积，ρ为气体密度，q为涵道拉力因子；
步骤5、由等效来流V0与当前转速得到等效前进比λn，其中n表示第n次计算所得到的；
步骤6、判断收敛，如果结果收敛，即则输出等效前进比及等效来流速度，如不收敛，返回步骤3，进行下一次循环计算。
2.根据权利要求1所述的一种针对涵道内螺旋桨等效前进比工况推算方法，其特征在于，所述步骤4中通过以下步骤得到：
T1为桨盘拉力，T2为涵道螺旋桨总拉力，
m为单位时间桨盘通过气体质量，ΔV是桨盘前后轴流速度增量，A1为桨盘面积，V1为桨盘处轴向气流速度，A2D为尾流滑流面积，ρ为气体密度，
由于涵道中拉力分配关系，可知
q为涵道拉力因子，即涵道螺旋桨中涵道产生拉力与总体拉力的比值，涵道拉力与螺旋桨拉力之和为涵道螺旋桨总体拉力，
故有
T1＝V1A1ρ(V2-V0) (4)
V2为开式桨尾流滑流速度，则有
V2-V0＝2(V1-V0) (5)
联立以上四式可得：
即等效来流速度
当开式螺旋桨工况下，即q＝0，此时有等效来流速度V0＝0，
对于开式螺旋桨工况，桨盘拉力为
T1＝2V1A1ρ(V1-V0) (0.1)
当悬停工况时
当有前方来流时，
因为桨盘处诱导作用的加速效果，有V1＞V0，解此二元方程可得：
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|---|---|---|---|---|
| CN103144769A (zh) * | 2013-03-05 | 2013-06-12 | 西北工业大学 | 一种倾转涵道垂直起降飞行器的气动布局 |
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| 垂直起降无人机涵道螺旋桨系统特性及计算方法研究;付洁程 等;《科学技术与工程》;20120429;第12卷(第6期);第1294-1300页 * |
| 涵道螺旋桨式反扭矩系统启动特性工程计算方法研究;孙传伟;《直升机技术》;20081231(第3期);第35-40页 * |
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