CN109774962A - 一种低噪声螺旋桨的外形设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，具体步骤如下：步骤S1：图中实线段AB为沿桨叶半径方向的叶素旋转轴，其中，O′D长度为x02，桨盘的半径为R，圆弧AB的半径为R2，定义O′D长度与桨盘的半径的比值为叶素旋转轴的弯曲程度e；步骤S2：根据螺旋桨设计的总体要求，确定螺旋桨的转速、直径、来流速度及翼型。本发明通过直接将选好的翼型以及使用Betz优化理论进行优化完成的桨叶数据按此叶素旋转轴布置，这样在保证螺旋桨所需的气动特性前提下，无需对螺旋桨进行复杂的噪声优化处理即能达到较优的低噪声效果，而且利用特定的螺旋桨叶素旋转曲线布置各个剖面翼型，在螺旋桨气动效率几乎不变的情况下，噪声可以得到极好的改善。
Description
技术领域
本发明涉及航空器用螺旋桨设计方法技术领域，具体为一种低噪声螺旋桨的外形设计方法。
背景技术
螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器；
传统的一种低噪声螺旋桨的外形设计方法存在如下不足：
现有螺旋桨设计中，一般首先确定初始数据，即前进速度、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，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。之后为了降低噪声还需进行叶素的后掠参数优化，优化各展向截面处的翼型、弦长、扭转角，得到桨叶的外形基本数据。现如今，对于螺旋桨的设计要求不仅仅要保证螺旋桨的气动特性达到要求，还要尽可能降低其产生的工作噪声，国内对如何减小螺旋桨噪声有以下几种方法；
如专利申请号为201510280181.2，名称为《一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法》的发明专利，利用CFD等数值模拟手段，通过不断优化以减小螺旋桨的工作噪声，以达到在螺旋桨的设计阶段进行减小噪声的目的，但由于其在优化中每迭代一次就要进行一次CFD技术，使得设计周期长、工作量大。专利申请号为201520239968.X，名称为《一种低噪声桨尖》的实用新型专利，发明人对螺旋桨桨尖的前缘进行后掠，桨尖下反，以达到减小噪声的作用。但此种方法只是对已有螺旋桨进行翼尖的变化，并未对设计的螺旋桨进行验证，也未说明对螺旋桨的气动特性有何变化。专利申请号为201710088817.2，名称为《一种马刀型低噪声螺旋桨桨叶设计方法》的发明专利，发明人设计了一条后缘平直的螺旋桨，使得大部分截面同时脱落尾涡，降低了螺旋桨桨叶噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，以解决上述背景技术中提出为了在设计过程中保证应有的气动特性，又避免设计过程中时间周期长、工作量大等不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，具体步骤如下：
步骤S1：图中实线段AB为沿桨叶半径方向的叶素旋转轴，其中，O′D长度为x02，桨盘的半径为R，圆弧AB的半径为R2，定义O′D长度与桨盘的半径的比值为叶素旋转轴的弯曲程度e；
步骤S2：根据螺旋桨设计的总体要求，确定螺旋桨的转速、直径、来流速度及翼型；
步骤S3：确定叶素旋转轴弯曲程度e的大小；
步骤S4：确定螺旋桨各叶素使用的翼型、各个剖面处的载荷以及确定不同剖面的当地弦长和当地安装角，得到桨叶的初步设计方案；
步骤S5：将步骤S3中所确定的各剖面翼型几何数据进行建模，并按照步骤S2中确定的叶素旋转轴布置，之后将各剖面用光滑的曲面连接；
步骤S6：根据发动机和桨的安装要求在桨根附近进行适当少量的修形即完成螺旋桨的设计工作。
进一步的，所述步骤S3中确定叶素旋转轴弯曲程度e的大小后，根据勾股定理求得旋转轴的半径大小，即得叶素的旋转轴曲线。
进一步的，所述步骤S4中螺旋桨各叶素使用的翼型是根据螺旋桨的气动特性需要，按照传统的雷诺数、马赫数限制条件及翼型的最佳工作点来确定的。
进一步的，所述步骤S4中各个剖面处的载荷是根据螺旋桨桨叶的载荷分布来确定的。
进一步的，所述步骤S4中不同剖面的当地弦长和当地安装角是利用翼型中的气动特性升力系数来确定的。
进一步的，所述步骤S4中不同剖面的当地弦长和当地安装角是利用翼型中的气动特性阻力系数来确定的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种新的叶素旋转轴，如图1所示，通过直接将选好的翼型以及使用Betz优化理论进行优化完成的桨叶数据按此叶素旋转轴布置，即得到最终桨叶的基本数据，而在保证螺旋桨所需的气动特性前提下，无需对螺旋桨进行复杂的噪声优化处理即能达到较优的低噪声效果；
2、本发明针对中小型无人机使用的螺旋桨设计，通过在螺旋桨的设计阶段，利用特定的螺旋桨叶素旋转曲线布置各个剖面翼型，而在螺旋桨气动效率几乎不变的情况下，使得噪声可以得到极好的改善。
附图说明
图1为本发明一种低噪声螺旋桨的外形设计方法叶素旋转轴示意图；
图2为本发明一种低噪声螺旋桨的外形设计方法低噪声螺旋桨几何外形图；
图3为传统设计方法的直桨叶几何外形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，首先对螺旋桨的参数做如下定义：
桨叶直径：叶尖扫掠的圆周直径
桨叶数：桨叶的个数
叶素：螺旋桨垂直于展向的剖面
当地弦长：不同相对半径处翼型的弦长
当地安装角：不同相对半径处翼型和旋转平面的夹角
具体实施步骤如下：
步骤S1：确定设计螺旋桨的基本数据：螺旋桨的基本数据有：桨叶数4，桨叶直径900mm，飞行高度1km，飞行速度90Km/h，螺旋桨转速3500RPM；
步骤S2：确定叶素旋转轴，根据螺旋桨的气动特性，以及声学特性，确定螺旋桨的叶素旋转轴为一段圆弧，本实施例中选择叶素旋转轴弯曲程度e为0.1333，从而通过关系式(a)得到叶素旋转轴的弯曲程度，如图1所示；
步骤S3：确定各叶素的几何形状：根据二维叶素理论，先根据螺旋桨的气动特性需要，按照传统的雷诺数、马赫数限制条件及翼型的最佳工作点，确定螺旋桨各叶素使用的翼型；本实施例中选择的螺旋桨翼型为ARA_D翼型。根据螺旋桨桨叶最佳载荷分布，分别确定0.3、0.4直到0.9、1.0剖面处的载荷，之后利用翼型的气动特性，如升力系数、阻力系数等随迎角变化曲线数据分别确定不同剖面的当地弦长和当地安装角；最终得到桨叶的初步设计方案；
步骤S4：布置各叶素的位置：将步骤S3中所确定的翼型、当地弦长、当地安装角等按照步骤S2确定的叶素旋转轴布置，如图2所示，经过试验验证，如表3所示，可以看出，使用本设计的桨叶，比传统的桨叶推力、效率没有降低多少，而桨后噪声减小了5.63分贝；
步骤S5：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适当修形即可。
下面就将两种设计方法进行对比如下：
表1采用传统设计方法的螺旋桨外形设计结果
表2采用本发明设计方法的螺旋桨外形设计结果
使用本套桨叶数据，分别利用本发明设计方法的桨叶气动外形形式与传统桨叶气动外形形式绘制、加工制造桨叶，进行实验验证，并采用天平测力方法；
实验条件为：
转速3500r.p.m.
风速25m/s
本实验使用声学传感器测量采集螺旋桨的噪声信号，传声器通过噪声测量支架安装于螺旋桨旋转平面上，传声器头部套有鼻锥，以便消除传感器自噪声，测量点选定在桨盘的旋转平面内，距离螺旋桨桨尖900mm(螺旋桨的直径)。
实验结果见下表：
表3两个螺旋桨的试验结果
实验结果表明，采用本发明设计方法的螺旋桨气动特性与传统方法相差不大，但噪声明显降低5.63dB。
表4采用本发明的螺旋桨外形设计结果
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：图中实线段AB为沿桨叶半径方向的叶素旋转轴，其中，O′D长度为x02，桨盘的半径为R，圆弧AB的半径为R2，定义O′D长度与桨盘的半径的比值为叶素旋转轴的弯曲程度e；
步骤S2：根据螺旋桨设计的总体要求，确定螺旋桨的转速、直径、来流速度及翼型；
步骤S3：确定叶素旋转轴弯曲程度e的大小；
步骤S4：确定螺旋桨各叶素使用的翼型、各个剖面处的载荷以及确定不同剖面的当地弦长和当地安装角，得到桨叶的初步设计方案；
步骤S5：将步骤S3中所确定的各剖面翼型几何数据进行建模，并按照步骤S2中确定的叶素旋转轴布置，之后将各剖面用光滑的曲面连接；
步骤S6：根据发动机和桨的安装要求在桨根附近进行适当少量的修形即完成螺旋桨的设计工作。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，其特征在于：所述步骤S3中确定叶素旋转轴弯曲程度e的大小后，根据勾股定理求得旋转轴的半径大小，即得叶素的旋转轴曲线。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，其特征在于：所述步骤S4中螺旋桨各叶素使用的翼型是根据螺旋桨的气动特性需要，按照传统的雷诺数、马赫数限制条件及翼型的最佳工作点来确定的。
4.根据权利要求1所述的一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，其特征在于：所述步骤S4中各个剖面处的载荷是根据螺旋桨桨叶的载荷分布来确定的。
5.根据权利要求1所述的一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，其特征在于：所述步骤S4中不同剖面的当地弦长和当地安装角是利用翼型中的气动特性升力系数来确定的。
6.根据权利要求1所述的一种低噪声螺旋桨的外形设计方法，其特征在于：所述步骤S4中不同剖面的当地弦长和当地安装角是利用翼型中的气动特性阻力系数来确定的。
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