CN107609243A

CN107609243A - 一种螺旋桨叶片的设计方法

Info

Publication number: CN107609243A
Application number: CN201710783747.2A
Authority: CN
Inventors: 高远; 高永卫
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2037-09-04
Also published as: CN107609243B

Abstract

一种螺旋桨叶片的设计方法，采用最优载荷分布曲线进行螺旋桨设计，总结出叶素的当地有效功率与当地消耗功率的比值存在最佳分布曲线。根据该曲线进行螺旋桨设计不需要进行三维数值优化，即能够达到较高的空气动力效率。本发明能够缩短设计周期并对桨叶气动效率的提升有所帮助，无需进行三维数值优化设计，故设计周期仅需一到两天。

Description

一种螺旋桨叶片的设计方法

技术领域

本发明涉及航空器用螺旋桨设计方法，特别是一种针对中小型无人机螺旋桨气动外形的设计方法。

背景技术

现有螺旋桨设计中，一般首先确定初始数据(螺旋桨需用功率、前进速度、前进比、桨叶直径、叶片数)等技术指标，接下来进行螺旋桨的气动设计。利用二维叶素理论(比如广泛使用的Betz方法。)结合螺旋桨的初始数据确定桨叶展向各截面的翼型及其对应的扭转角。虽然二维的设计方法较为简单，但是实际螺旋桨是三维的，故二维设计很难达到应有的高效率。

目前，通常在二维设计的基础上用三维数值优化的方法进行气动性能优化设计。这类方法首先计算大量螺旋桨模型样本的气动性能，然后根据最优化搜索方法(如遗传算法、线性规划算法、最速下降算法等等)进行寻优。根据寻优结果再调整螺旋桨外形，继续进行三维数值计算、搜索，直至外形变化后性能达到最佳设计值。这类方法需要花费大量的时间，设计周期较长。

针对中小型无人机使用的螺旋桨设计，现有方法设计一个方案大约需要两周时间。然后，通常还需要与发动机及飞机总体进行若干轮次的协调和方案修改，因此往往提供一个真正可用的螺旋桨方案需要几个月的时间。螺旋桨的设计周期长是影响型号研制的瓶颈之一。为了虽短设计周期和提高螺旋桨的空气动力学效率，在数值计算方法计算速度无法很快提高的现实条件下，科技工作者们开始研究提出新的办法。【2010年10月，水动力学杂志，一种涡轮机械综合设计系统】采用了综合平台的方法，将需要优化的参数集成到一个软件平台上。这样可以有效缩短不同种类参数变化传递过程的时间，但是仍需要进行三维数值优化，节约的时间很有限。它是目前很大一类思路和方法的代表。【2017年3月，中国高新技术企业杂志，某型太阳能飞机高效螺旋桨设计】通过求解积分方程确定拉格朗日系数，再根据二维翼型的性能进行叶素参数布置。在太阳能无人机螺旋桨设计中取得成功。该方法属于二维方法，依然没有考虑各叶素间阻力的干扰和各叶素干扰的马赫数效应，其有效程度和传统Betz方法相当。【2012年4月，科学技术与工程杂志，径向载荷分布对螺旋桨气动性能影响的计算研究】是本发明人团队2012年的工作。论文研究了螺旋桨径向载荷分布(特指叶素推力分布和叶素功率分布)对螺旋桨气动效率的影响。研究表明单独观察叶素推力分布和叶素功率分布不能有效确定螺旋桨的总体效率。

发明内容

为克服螺旋桨空气动力设计中需要三维数值计算和优化、花费过长时间的问题，本发明一种螺旋桨叶片的设计方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，确定螺旋桨的总体参数；

所确定的螺旋桨的总体参数包括：需用功率50kW；桨叶数B＝4；桨叶直径D＝800mm；飞行高度H＝6000km；飞行速度V＝150km/h；螺旋桨转速n＝5500r.p.m.。

步骤2，选择翼型；

步骤3，确定叶素当地推力dT；

根据叶素当地效率确定叶素当地推力dT。

由式(3)确定叶素当地推力dT

式中：dT—叶素当地推力；η—叶素当地效率，由(9)式给出；—叶素当地相对半径；V—飞行速度；dW—叶素当地功率，按Betz条件确定。

所述的叶素是指沿桨叶径向垂直于半径切出的桨叶薄片。桨叶由沿径向不同半径处的叶素组合而成。

所述叶素当地效率的定义是：

其中：dT—叶素当地推力；V—飞行速度；dW—叶素当地功率。

所述的叶素当地效率分布曲线为：

式中：η—叶素当地效率；—叶素当地相对半径。

步骤4，确定出当地弦长

设定安装角β并根据所选翼型的最佳工作点确定翼型的初始c_x和c_y，通过下式确定出叶素当地弦长

式中：ρ—空气密度；n_s—每秒钟转速；D—螺旋桨直径；β—安装角；c_y—叶素的升力系数；c_x—叶素的阻力系数；—叶素当地相对半径；—叶素展向宽度。

步骤5，确定叶素迎角。

按如下公式确定叶素迎角：

α＝φ-β (5)

式中：α—叶素迎角；φ—气流角。

步骤6，确定叶素安装角。

利用半径处的翼型气动特性数据，通过公式(6)和(7)：

c_x′＝f(α,M_a,Re) (6)

c′_y＝g(α,M_a,Re) (7)

得到c′_x和c′_y,并与步骤4中确定的初始c_x和c_y进行比较。若c′_x和c′_y与初始所述c_x和c_y不一致，则调整β值，直至二者之差小于0.001。调整β值采用牛顿迭代法进行。

所述的式(6)和(7)分别表示翼型的阻力系数c_x′和升力系数c′_y与翼型的迎角α、马赫数Ma和雷诺数Re的关系，通过查ARA_D翼型的性能曲线得到。

步骤7，三维建模和修形

按常规方法，根据确定的当地弦长和当地安装角进行螺旋桨三维建模。按照螺旋桨在发动机上的安装要求，对螺旋桨的根部进行修形。至此，完成了螺旋桨叶片的设计。

所得到的的螺旋桨外形为：

表3

本发明提出的采用最优载荷分布曲线进行螺旋桨设计的方法克服了螺旋桨空气动力设计中需要三维数值计算和优化、花费过长时间的问题。发明人根据大量中小型无人机螺旋桨的设计使用情况，总结出叶素的当地有效功率(即当地推力与飞行速度的积)与当地消耗功率(即叶素当地功率)的比值存在最佳分布曲线。根据该曲线进行螺旋桨设计不需要进行三维数值优化，即能够达到较高的空气动力效率。该设计方法有望缩短设计周期并对桨叶气动效率的提升有所帮助。

本发明提出的最佳分布曲线如图1所示。

该曲线图横坐标是螺旋桨桨叶叶素的相对半径，纵坐标是螺旋桨桨叶各叶素的当地效率。

本发明的创新点体现在直接采用当地效率分布曲线进行螺旋桨设计，无需进行三维优化即可达到高的气动效率。

为验证本发明的效果，针对某小型无人机用螺旋桨的使用要求，分别使用传统二维方法和本发明进行了气动外形设计。

传统的设计方法一般首先确定初始数据，包括前进速度、前进比、桨叶直径、叶片数，接下来利用二维叶素理论进行设计(比如广泛使用的Betz方法，它是一个典型的二维方法)。然后再利用优化理论进行优化。优化各展向截面处的翼型、弦长、扭转角，得到桨叶的外形数据(外形数据包括：剖面弦长、安装角等)。

本发明提出的螺旋桨设计方法采用独特的最优载荷分布曲线，直接将选好的翼型按上述载荷分布曲线布置，再进行少量的根部修形即可达到最佳气动效率。

分别针对使用本发明设计的桨叶气动外形与传统设计方法得到的桨叶气动外形，加工制造了两副螺旋桨，在西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室NF-3风洞进行了风洞实验验证。实验采用了天平测力方法。实验结果表明使用本发明的螺旋桨气动效率高。

两种桨叶的外形数据如下：

表1采用传统设计方法的螺旋桨外形设计方案

表2采用本发明的螺旋桨外形设计方案

实验条件为：转速n＝2560r.p.m.；风速V＝65m/s

实验结果见下表：

	推力T(N)	功率P(W)	效率η
				传统桨叶	505.0	41223.7	0.817
本发明桨叶	514.8	40478.1	0.847

实验结果表明，采用本发明设计的螺旋桨气动效率比传统方法的高3个百分点。

根据螺旋桨涡流理论，螺旋桨工作时，桨叶后缘会脱出脱体涡。脱体涡空间分布均匀(即空间分布梯度小)，则涡的掺混少、能量损失小，螺旋桨的空气动力效率高。本发明在影响螺旋桨性能最关键的部分(即桨叶相对半径60％～85％间)，设计当地载荷沿半径方向平缓均匀且单调分布(即没有极值点)，可以保证桨叶各剖面后缘脱出的涡掺混少，从而消耗能量少。故本发明比传统设计方法所设计出的螺旋桨效率高。本发明由于不需要进行三维数值优化设计，因此设计周期仅需一到两天。所以，对保证型号研制进度和螺旋桨实用水平具有重要帮助。

附图说明

图1是本发明提出的最佳载荷分布曲线；

图2是当地效率的对比；其中的曲线1是本发明得到的当地效率，曲线2是二维Betz条件得到的当地效率；

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

本实施例提出了一种所述最佳载荷分布的螺旋桨叶片的设计方法，具体过程是：

步骤1，确定螺旋桨的总体参数。

所确定的螺旋桨的总体参数包括：

需用功率50kW；桨叶数B＝4；桨叶直径D＝800mm；飞行高度H＝6000km；飞行速度V＝150km/h；螺旋桨转速n＝5500r.p.m.。

步骤2，选择翼型

根据螺旋桨的转速、直径和飞行速度，按照传统的雷诺数、马赫数限制条件及翼型的最佳工作点，确定螺旋桨各剖面使用的翼型。本实施例中选择的螺旋桨翼型为ARA-D翼型。

步骤3，确定出当地推力dT。

根据叶素当地效率确定叶素当地推力dT。

叶素当地效率的定义是：

本发明提出的叶素当地效率分布曲线用如下公式描述：

式中：η—叶素当地效率；—叶素当地相对半径。

由式(3)确定叶素当地推力dT

所述的叶素是指沿桨叶径向垂直于半径切出的桨叶薄片。当其厚度趋于零时即“二维翼型”。桨叶由沿径向不同半径处的叶素组合而成。叶素是旋转机械设计分析中常用的理想化模型。

步骤4，确定出当地弦长

步骤5，确定叶素迎角。

按如下公式确定叶素迎角：

α＝φ-β (5)

式中：α—叶素迎角；φ—气流角。

步骤6，确定叶素安装角。

利用半径处的翼型气动特性数据，通过公式(6)和(7)：

c_x′＝f(α,M_a,Re) (6)

c′_y＝g(α,M_a,Re) (7)

步骤7，三维建模和修形

与现有技术相比较，本实施例得到的螺旋桨叶片具有最佳的载荷分布，具体设计结果如下：

表3本发明的螺旋桨外形设计方案

Claims

1.一种螺旋桨叶片的设计方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，确定螺旋桨的总体参数；

步骤2，选择翼型；

步骤3，确定叶素当地推力dT：

根据叶素当地效率确定叶素当地推力dT；

由式(3)确定叶素当地推力dT

式中：dT—叶素当地推力；η—叶素当地效率，由(9)式给出；—叶素当地相对半径；V—飞行速度；dW—叶素当地功率，按Betz条件确定；

步骤4，确定出当地弦长

<mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <msup> <msub> <mi>&rho;n</mi> <mi>s</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>D</mi> <mn>4</mn> </msup> <mfrac> <msup> <mi>&pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mn>4</mn> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mi>y</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&beta;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>x</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&beta;</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mover> <mi>b</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <msup> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msup> <mi>d</mi> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中：ρ—空气密度；n_s—每秒钟转速；D—螺旋桨直径；β—安装角；c_y—叶素的升力系数；c_x—叶素的阻力系数；—叶素当地相对半径；—叶素展向宽度；

步骤5，确定叶素迎角：

按如下公式确定叶素迎角

α＝φ-β (5)

式中：α—叶素迎角；φ—气流角；

步骤6，确定叶素安装角：

利用半径处的翼型气动特性数据，通过公式(6)和(7)：

c′_x＝f(α,M_a,Re) (6)

c′_y＝g(α,M_a,Re) (7)

得到c′_x和c′_y,并与步骤4中确定的初始c_x和c_y进行比较；若c′_x和c′_y与初始所述c_x和c_y不一致，则调整β值，直至二者之差小于0.001；调整β值采用牛顿迭代法进行；所述的式(6)和(7)分别表示翼型的阻力系数c′_x和升力系数c′_y与翼型的迎角α、马赫数Ma和雷诺数Re的关系，通过查ARA_D翼型的性能曲线得到；

步骤7，三维建模和修形：

按常规方法，根据确定的当地弦长和当地安装角进行螺旋桨三维建模；按照螺旋桨在发动机上的安装要求，对螺旋桨的根部进行修形；至此，完成了螺旋桨叶片的设计。

2.如权利要求1所述螺旋桨叶片的设计方法，其特征在于，所确定的螺旋桨的总体参数包括：需用功率50kW；桨叶数B＝4；桨叶直径D＝800mm；飞行高度H＝6000km；飞行速度V＝150km/h；螺旋桨转速n＝5500r.p.m.。

3.如权利要求1所述螺旋桨叶片的设计方法，其特征在于，所述的叶素是指沿桨叶径向垂直于半径切出的桨叶薄片；桨叶由沿径向不同半径处的叶素组合而成。

4.如权利要求1所述螺旋桨叶片的设计方法，其特征在于，所述叶素当地效率的定义是：

其中：dT—叶素当地推力；V—飞行速度；dW—叶素当地功率；

所述的叶素当地效率分布曲线为：

<mrow> <mi>&eta;</mi> <mo>=</mo> <mn>0.8460</mn> <mo>+</mo> <mn>0.003950</mn> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mn>0.02171</mn> <msup> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>0.008760</mn> <msup> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mn>3</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>0.001140</mn> <msup> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mn>4</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>4.968</mn> <mo>&times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>5</mn> </mrow> </msup> <msup> <mover> <mi>r</mi> <mo>&OverBar;</mo> </mover> <mn>5</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中：η—叶素当地效率；—叶素当地相对半径。

5.如权利要求1所述螺旋桨叶片的设计方法，其特征在于，所得到的的螺旋桨外形为：

表3