CN114139279A - 一种电动推进螺旋桨的快速设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，包括步骤：S1：明确电动推进无人机总体设计技术要求；S2：确定螺旋桨设计额定转速ω及设计直径D；S3：确定翼型配置；S4：采用统计经验的方法初步确定弦长分布b(x)；S5：确定扭转β(x)分布；S6：螺旋桨性能的评估；S7：判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系；S8：计算能量消耗；本发明的推进螺旋桨设计无需复杂的三维外形优化，输入只需要少许的总体设计参数，即可满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨设计精度要求，达到了快速评估的需求。通过验证计算，证明了此设计方法不仅计算精度可靠，而且大大缩短了螺旋桨的设计周期，满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨快速设计及精度需求。
Description
技术领域
本发明属于电动无人机动力系统设计领域，具体涉及一种电动推进螺旋桨的快速设计方法。
背景技术
随着通用航空的兴起，无人机应用越来越广泛，不管是军事还是民用领域，无人机根据动力来源的不同，主要分为电动和油动两种类型，相较于油动驱动，电动无人机具备动力系统结构简单、有效载荷大、操纵简单及环保等优势，因此，现有各中小型无人机基本倾向于采用电动驱动形式。螺旋桨作为电动无人机动力系统的核心，其自身工作流场复杂，设计难度大。常规设计方法主要是基于代理模型的优化设计，计算方法有数值和解析计算，由于螺旋桨外形复杂，设计变量过多，不论是数值还是理论方法，均存在迭代周期长，难以收敛等问题，不适用电动推进无人机总体方案设计阶段的快速论证需求。
因此，如何改进常规螺旋桨设计方法以克服上述的技术缺陷，是本领域急需解决的关键问题。
发明内容
针对常规螺旋桨设计方法迭代周期长且难以收敛等问题，本发明提供了一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，目的在于提供一种电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨快速设计方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，包括如下步骤：
S1：明确电动推进无人机总体设计技术要求，包括设计高度H、需用推力Tdesign、巡航速度V、巡航效率η和尺寸约束；
S2：确定螺旋桨设计额定转速ω及设计直径D；
S3：确定翼型配置；
S4：确定弦长b(x)分布；
采用统计经验的方法初步确定弦长分布b(x)；
S5：确定扭转β(x)分布；
利用动量理论，只考虑轴向诱导速度，初步确定诱导速度vd分布，根据叶素速度多边形，计算出螺旋桨的来流角
根据已配置的翼型，结合工作雷诺数Re和马赫数Ma，经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt，根据叶素速度多边形，可得到叶素剖面的安装角β(x)分布；
S6：螺旋桨性能的评估；
依据片条理论对螺旋桨进行建模分析，根据叶素速度多边形、环量理论和径向动量理论，迭代得到诱导速度的分布，对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT及功率系数CP，然后可得到螺旋桨的推力T和功率P，最终计算得到螺旋桨巡航效率η；
S7：判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系；
当计算推力T大于设计需用推力Tdesign时，初步满足设计要求，执行下一步，反之，可改变设计直径、翼型配置或其他设计参数，继续执行步骤S2及后续步骤；
S8：计算能量消耗；
根据总体设计要求巡航时间t，结合巡航所需的功率P及电池的比能量e，可计算出巡航所需的最小电池重量W；
判断W是否满足总体初步设计重量分配电池所允许的重量Wb，若满足，则此螺旋桨设计初步方案满足设计要求，若不满足，继续改变设计参数，继续执行步骤S2及后续步骤。
进一步地，所述步骤S2中，螺旋桨设计额定转速ω与设计直径D的确定可以用桨尖速度Vtip来表征，设计的桨尖速度应满足小于临界马赫数，以降低激波阻力，借鉴相关设计经验，为保证爬升等特殊机动情况的螺旋桨效率，通常设计的桨尖速度不大于0.75马赫，即：
式中：a为当地的音速，V为巡航速度。
进一步地，所述步骤S3中，翼型配置采用三段翼型，桨叶半径为R，在桨根0.2R～0.5R处将采用厚翼型；在内段0.5R～0.75R将采用高升力翼型；在桨根0.75R～R将采用薄翼型。
进一步地，所述步骤S4中，利用NASA统计经验规律，得到桨叶的相对弦长分布
如下：
式中：x为桨叶位置的无量纲化量。
进一步地，所述步骤S5中，确定扭转β(x)分布的具体方法为：
利用动量理论，只考虑轴向诱导速度，初步确定诱导速度vd分布：
根据叶素速度多边形，计算出螺旋桨的来流角
当每个叶素剖面的迎角是翼型升阻比最大所对应的迎角时，整个桨叶的能量损失最小，巡航效率η最大，因此设计计算时，根据已配置的翼型，结合工作雷诺数Re和马赫数Ma，经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt，根据叶素速度多边形，可得到叶素剖面的安装角β(x)分布为：
进一步地，所述步骤S5中，螺旋桨性能的评估具体方法为：
依据片条理论对螺旋桨进行建模分析，根据叶素速度多边形，叶素合速度VE：
式中：λ为入流比；
依据环量理论，叶素环量Γ与弦长b、翼型升力系数CL和合速度VE之间的关系：
依据径向动量理论，并考虑桨尖损失，引入Prandtl修正因子F，可得到径向诱导速度wt：
式中：B为桨叶片数，
为桨尖安装角，r为桨叶位置；
根据叶素速度多边形，可得到来流角
径向诱导速度wt和垂向诱导速度wa之间的关系如下：
式中：αi为诱导速度引起的迎角增量。
由以上各式迭代可以得到诱导速度的分布，对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT、功率系数CP计算式如下：
式中：xh为桨毂位置，xT为桨尖位置，σ为桨叶实度。
可得到螺旋桨的推力T和功率P为：
式中：ρ为空气密度。
螺旋桨巡航效率η为：
与现有技术相比，本发明的推进螺旋桨设计无需复杂的三维外形优化，输入只需要少许的总体设计参数，即可满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨设计精度要求，达到了快速评估的需求。
为验证本发明的效果，针对某小型无人机推进螺旋桨的设计要求，利用该设计方法对其进行快速设计并通过对比风洞试验数据，通过验证计算，证明了此设计方法不仅计算精度可靠，而且大大缩短了螺旋桨的设计周期，满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨快速设计及精度需求。
附图说明
图1为本发明的一种电动推进螺旋桨的具体设计流程；
图2为本发明的桨叶剖面速度和受力图；
图3为本发明设计的螺旋桨外形参数；
图4为本发明设计的螺旋桨推力随入流比变化曲线；
图5为本发明设计的螺旋桨功率随入流比变化曲线；
图6为本发明设计的螺旋桨巡航效率随入流比变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的螺旋桨设计方法主要包括以下步骤：首先明确螺旋桨总体设计技术要求；确定设计额定转速及设计直径、翼型配置、弦长及扭转分布；利用片条理论对螺旋桨性能评估；不断调整设计参数直到螺旋桨计算推力满足设计需用推力；计算设计巡航时间内的能量消耗及最小需用电池重量，直到满足设计允许电池重量；具体流程如图1所示。
S1.明确电动推进无人机总体设计技术要求；
根据电动推进无人机的任务要求及使用环境，可确定螺旋桨的设计要求，包括设计高度H＝0、设计推力Tdesign＝2.5N、巡航速度V＝18m/s、巡航效率指标η≥80％。
S2.确定螺旋桨设计额定转速ω及设计直径D；
螺旋桨设计额定转速ω与设计直径D的确定可以用桨尖速度Vtip来表征，设计的桨尖速度应满足小于临界马赫数，以降低激波阻力，借鉴相关设计经验，为保证爬升等特殊机动情况的螺旋桨效率，确定设计额定转速ω＝523.5988rad/s、设计直径D＝0.2794m。
S3.确定翼型配置；
本发明采用三段翼型配置进行螺旋桨初步设计，为保证各叶素剖面平滑过渡及各段设计要求，在桨根0.2R～0.5R处采用E392翼型；在内段0.5R～0.75R采用E214翼型；在桨根0.75R～R采用E210翼型；0.2R以内是桨榖部分，不配置。
S4.确定弦长b(x)分布；
本发明拟采用统计经验的方法初步确定弦长分布b(x)，根据NASA统计经验规律，得到的相对弦长分布
本实施例螺旋桨设计的弦长分布曲线如附图2所示。
S5.确定扭转β(x)分布；
利用动量理论，只考虑轴向诱导速度，可初步确定诱导速度分布：
根据叶素速度多边形，可计算出螺旋桨的来流角
当每个叶素剖面的迎角是翼型升阻比最大时，整个桨叶的能量损失最小，巡航效率η最大，因此初步设计计算时，根据已配置的翼型，结合工作雷诺数Re和马赫数Ma，经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt，根据叶素速度多边形，可得到叶素剖面的安装角β(x)分布为：
螺旋桨设计的扭转分布结果如附图2所示。
S6.螺旋桨性能的评估；
依据片条理论对螺旋桨进行建模分析，作用在叶素上的速度和力如附图3所示，dL为叶素升力，dD为叶素阻力，dT为拉力，dF为水平阻力，w为合诱导速度，
代表巡航速度引起的来流角，VR代表巡航速度和水平转速的合速度，ωr为叶素圆周速度，根据叶素速度多边形，叶素合速度VE：
依据环量理论，叶素环量Γ与弦长b、翼型升力系数CL和合速度VE之间的关系：
依据径向动量理论，并考虑桨尖损失，引入Prandtl修正因子F，可得到径向诱导速度wt：
式中：B为桨叶片数，
为桨尖安装角，r为桨叶位置；
根据叶素速度多边形，可得到来流角
径向诱导速度wt和垂向诱导速度wa之间的关系如下：
以诱导引起的迎角增量αi0和径向诱导速度wt0为初值，可利用式(13)计算出垂向诱导速度wa，进一步利用式(12)可计算出αi，对比αi和αi0，判断是否收敛，否则，利用式(8)、(9)、(10)、(11)更新径向诱导速度wt值，继续执行以上步骤，直到αi收敛，进而可得到诱导速度wa和wt的分布，对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT、功率系数CP计算式如下：
式中：xh为桨毂位置，xT为桨尖位置，σ为桨叶实度。
可得到螺旋桨的推力T和功率P为：
螺旋桨推力随入流比变化曲线如图4所示，螺旋桨功率随入流比变化曲线如图5所示；
螺旋桨巡航效率η为：
螺旋桨巡航效率随入流比变化曲线如图6所示。
S7.判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系；
计算结果显示，在设计额定转速5000RPM、巡航速度18m/s时，计算推力T＝2.683N大于设计需用推力Tdesign＝2.5N时，满足巡航推力设计需求.
S8.计算能量消耗；
根据总体设计要求巡航时间t＝1.5h，结合巡航所需的功率P＝58.9422W及电池的比能量e＝220Wh/kg，并考虑电机电调系统的传递效率ηt＝0.85，可计算出巡航所需的最小电池重量W＝0.4728kg，满足总体初步设计重量分配电池所允许的重量Wb＝0.5kg，经计算巡航效率指标η＝81.93％＞80％，因此此螺旋桨设计初步方案满足设计要求。
参见附图6，通过对比风洞试验数据，设计计算巡航效率整体略大于风洞实测数据，理论计算模型是基于理想的流体运动状况进行分析，可能存在其他的功率损失导致，符合实际理论计算的规律，整体误差较小，证明了此设计方法不仅计算精度可靠，而且大大缩短了螺旋桨的设计周期，满足电动推进无人机总体方案论证阶段的螺旋桨快速设计及精度需求。
Claims (6)
1.一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：明确电动推进无人机总体设计技术要求，包括设计高度H、需用推力Tdesign、巡航速度V、巡航效率η和尺寸约束；
S2：确定螺旋桨设计额定转速ω及设计直径D；
S3：确定翼型配置；
S4：确定弦长b(x)分布；
采用统计经验的方法初步确定弦长分布b(x)；
S5：确定扭转β(x)分布；
利用动量理论，只考虑轴向诱导速度，初步确定诱导速度vd分布，根据叶素速度多边形，计算出螺旋桨的来流角
根据已配置的翼型，结合工作雷诺数Re和马赫数Ma，经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt，根据叶素速度多边形，可得到叶素剖面的安装角β(x)分布；
S6：螺旋桨性能的评估；
依据片条理论对螺旋桨进行建模分析，根据叶素速度多边形、环量理论和径向动量理论，迭代得到诱导速度的分布，对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT及功率系数CP，然后可得到螺旋桨的推力T和功率P，最终计算得到螺旋桨巡航效率η；
S7：判断计算推力T与设计需用推力Tdesign关系；
当计算推力T大于设计需用推力Tdesign时，初步满足设计要求，执行下一步，反之，可改变设计直径、翼型配置或其他设计参数，继续执行步骤S2及后续步骤；
S8：计算能量消耗；
根据总体设计要求巡航时间t，结合巡航所需的功率P及电池的比能量e，可计算出巡航所需的最小电池重量W；
判断W是否满足总体初步设计重量分配电池所允许的重量Wb，若满足，则此螺旋桨设计初步方案满足设计要求，若不满足，继续改变设计参数，继续执行步骤S2及后续步骤。
2.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，螺旋桨设计额定转速ω与设计直径D的确定用桨尖速度Vtip来表征，设计的桨尖速度不大于0.75马赫，即：
式中：a为当地的音速，V为巡航速度。
3.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，翼型配置采用三段翼型，桨叶半径为R，在桨根0.2R～0.5R处将采用厚翼型；在内段0.5R～0.75R将采用高升力翼型；在桨根0.75R～R将采用薄翼型。
4.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用NASA统计经验规律，得到桨叶的相对弦长分布
如下：
式中：x为桨叶位置的无量纲化量。
5.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，确定扭转β(x)分布的具体方法为：
利用动量理论，只考虑轴向诱导速度，初步确定诱导速度vd分布：
式中：ρ为空气密度；
根据叶素速度多边形，计算出螺旋桨的来流角
当每个叶素剖面的迎角是翼型升阻比最大所对应的迎角时，整个桨叶的能量损失最小，巡航效率η最大，因此设计计算时，根据已配置的翼型，结合工作雷诺数Re和马赫数Ma，经XFoil确定出每个叶素剖面的最优设计迎角αopt，根据叶素速度多边形，可得到叶素剖面的安装角β(x)分布为：
6.根据权利要求1所述的一种电动推进螺旋桨的快速设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，螺旋桨性能的评估具体方法为：
依据片条理论对螺旋桨进行建模分析，根据叶素速度多边形，叶素合速度VE：
式中：λ为入流比；
依据环量理论，叶素环量Γ与弦长b、翼型升力系数CL和合速度VE之间的关系：
依据径向动量理论，并考虑桨尖损失，引入Prandtl修正因子F，可得到径向诱导速度wt：
式中：B为桨叶片数，
为桨尖安装角，r为桨叶位置；
根据叶素速度多边形，可得到来流角
径向诱导速度wt和垂向诱导速度wa之间的关系如下：
式中：αi为诱导速度引起的迎角增量；
由以上各式迭代可以得到诱导速度的分布，对整个桨叶段积分可得到螺旋桨推力系数CT、功率系数CP计算式如下：
式中：xh为桨毂位置，xT为桨尖位置，σ为桨叶实度；
可得到螺旋桨的推力T和功率P为：
式中：ρ为空气密度。
螺旋桨巡航效率η为：
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |