CN115485193A - 用于确定环形定子叶片排的角度设置的系统 - Google Patents

Abstract

本文件涉及用于确定布置在具有纵向轴线的推进系统的推进式螺旋桨下游的环形定子叶片排的角度设置(β₂)的方法，所述环形定子叶片排接收具有速度(V₂)的气流，所述速度包含纵向分量(V_iz)和与由所述推进式螺旋桨产生的回转的速度相关联的切向分量(V_iθ)，所述方法包括以下步骤：使用与所述推进式螺旋桨(4)相关联的功率(P₁)和机械速度(N₁)以及飞行条件(16)建立所述推进式螺旋桨的理论模型(14)，所述飞行条件包括入射在所述推进式螺旋桨上的气流的速度、所述推进系统的高度和环境温度；根据所述理论模型(14)确定所述推进式螺旋桨的角度设置(β₁)。

Description

用于确定环形定子叶片排的角度设置的系统

技术领域

本文件涉及确定布置在飞机的推进系统中的推进式螺旋桨下游的环形定子叶片排的角度设置。

背景技术

常规上，如图1中所说明，飞机包括具有纵向轴线2的推进系统1，所述纵向轴线包括由围绕纵向轴线2可移动的环形叶片排形成的推进式螺旋桨4。环形定子叶片排6布置在所述推进式螺旋桨4的下游，以便将由推进式螺旋桨4引起的回转转换成轴向推进速度，因此增加产生的推力。上游和下游相对于所述推进系统内的气体循环方向定义。

已知实现推进式螺旋桨4的叶片的角度设置以优化飞机的推进。然而，虽然定子叶片6的设置也是已知的，但是没有给出关于实现随飞行阶段变化的环形定子叶片排6的优化角度设置所需的方法和计算的细节。

用于所述角度设置的控制规则的实施方案复杂，并且没有优化、简单和有效的系统用于成角度地设置布置在飞机推进系统的推进式螺旋桨4下游的环形定子叶片排6，所述螺旋桨也可变间距螺旋桨。

本文件旨在以简单、可靠且低本高效的方式解决这些缺点。

发明内容

本文件涉及用于确定布置在具有纵向轴线的推进系统的推进式螺旋桨下游的环形定子叶片排的角度设置的方法，所述环形定子叶片排接收具有速度V₂的气流，所述速度包含纵向分量V_iz和与由推进式螺旋桨产生的回转的速度相关联的切向分量V_iθ，所述方法包括以下步骤：

a)使用与所述推进式螺旋桨相关联的功率P₁和机械速度N₁以及飞行条件建立推进式螺旋桨的理论模型，所述飞行条件包括入射在推进式螺旋桨上的气流的速度、所述推进系统的高度和环境温度；

b)根据所述理论模型确定所述推进式螺旋桨的角度设置；

c)根据推进式螺旋桨的理论模型，定义无量纲参数，其至少包含由以下公式定义的推进式螺旋桨的功率系数C_p,1、拉力系数C_T,1和进距比J₁：

其中

ρ对应于环境空气的密度，

V₀对应于所述推进系统的飞行速度，

N₁对应于所述推进式螺旋桨的机械速度，

D₁对应于所述推进式螺旋桨的直径，

P₁对应于所述推进式螺旋桨的功率，

T₁对应于所述推进式螺旋桨的拉力；

d)根据所述无量纲参数计算入射在所述环形定子叶片排上的气流的速度V₂的纵向分量V_iz和切向分量V_iθ，并且推导出入射在所述环形定子叶片排上的气流的速度与所述推进式螺旋桨的旋转平面之间的角度

e)根据所述角度、与入射在推进式螺旋桨上的气流的速度相关联的马赫数和与每个角度相关联的数据库来确定要应用于所述环形定子叶片排的角度设置，针对不同马赫数获得所述环形定子叶片排的不同角度设置。

预先构造数据库，以便有助于随着推进式螺旋桨的位置变化的实时角度设置。实际上，根据与所述推进式螺旋桨相关联的功率和机械速度、根据入射在推进式螺旋桨上的气流的速度、根据所述推进系统的高度并且根据环境温度，获得推进式螺旋桨的角度设置，并且所述方法随后可以根据数据库确定定子叶片中的每一个的最佳角度设置。

确定将应用于本文所提供的环形定子叶片排的角度设置的方式使得对所述环形定子叶片排的控制更容易实施，对飞行条件的变化更稳固，所述飞行条件例如，入射在推进式螺旋桨上的气流的速度、所述推进系统的高度和环境温度。此处，环境温度是指推进系统所处的周围环境温度。

借助于随着推进式螺旋桨的设置变化的环形定子叶片排的最佳角度设置，可以获得推进系统的最佳推力。

可以根据以下公式计算入射在环形定子叶片排上的气流的速度V₂的轴向分量V_iz：

其中K₁是与推进式螺旋桨的径向尺寸相关的常数。

可以根据以下公式计算入射在环形定子叶片排上的气流的速度V₂的切向分量V_iθ：

其中K₁和K₂是与推进式螺旋桨的径向尺寸相关的常数。

所述角度

可以遵从以下公式：

可以通过FADEC系统将所述环形定子叶片排的角度设置β₂传送到致动器，所述致动器控制所述环形定子叶片排的角度设置β₂。

就其工作方式而言，本方法需要较少的数据，因此更容易在例如FADEC(全权限数字式发动机控制)的计算器中实施。

数据库可以是通过模拟或测试构建的表格，其中根据例如转子速度N1、飞行马赫数、推进式螺旋桨的角度设置β₁和所述环形定子叶片排的角度设置β₂等参数的所有组合计算多个操作条件，从而得出随着飞行马赫数、角度

和所述环形定子叶片排的角度设置β₂变化的最大拉力系数C′_T,2的表格。

此数据库的优点是它允许非常快速地存取信息。实际上，一旦已经创建所述数据库，就需要简单地读取所述环形定子叶片排的角度设置β₂的最佳值。组成的数据库更少，因此可以集成到FADEC中。

附图说明

[图1]是具有环形定子叶片排的推进式螺旋桨系统的示意图。

[图2]是气流的示意图，且更确切地说，是由推进式螺旋桨接收的该流的速度的示意图。

[图3]是气流的示意图，且更确切地说，是由图3中所示的推进式螺旋桨下游的环形定子叶片排接收的该流的速度的示意图。

[图4]是表示用于确定推进式螺旋桨的角度设置以及在所述推进式螺旋桨下游的环形定子叶片排的角度设置的方法的示意图。

[图5]是环形定子叶片排的设置模型的操作的示意图。

具体实施方式

图2说明根据图1的在具有纵向轴线2的推进系统1的旋转螺旋桨4的入口处的气流。当推进式螺旋桨4具有角度设置β₁时，它随后以垂直于纵向轴线2定向的飞行速度V₀接收空气。

在此配置中，如图3中所示，位于所述推进式螺旋桨4下游的环形定子叶片排6随后接收具有速度V₂的气流，所述速度具有包括所述飞行速度V₀(仅纵向)和纵向速度V_iz的纵向分量以及切向分量V_iθ，其中V_iz表示纵向分量和与由推进式螺旋桨6产生的回转的速度相关联的切向分量V_iθ。

入射在所述环形定子叶片排6上的气流的速度与所述推进式螺旋桨4的旋转平面8之间的角度

对于定义所述环形定子叶片排6的空气动力学性能非常重要。与将应用于所述环形定子叶片排6的角度设置β₂组合，角度

定义迎角。如果迎角过高，则观察到所述环形定子叶片排6的失速。这种失速会导致高水平的压力损失和明显的回转，从而降低推进式螺旋桨4的推进效率。

因此，迎角必须保持在根据所使用轮廓的空气动力学稳定性定义的可接受范围内，这在其设计时是已知的。此外，存在最佳迎角，对于所述最佳迎角，所述环形定子叶片排6的性能最大。为了优化推进系统1的性能，因此有必要在整个飞行阶段期间接近此迎角。因此，将应用于所述环形定子叶片排6的角度设置β₂必须由所述角度

控制。

因此，本文件提供一种有效的方式来组合影响所述推进式螺旋桨4和所述环形定子叶片排6的空气动力学的参数，以便确定随着仅两个参数，即所述角度

和与入射在推进式螺旋桨4上的气流的速度相关联的马赫数10变化的环形定子叶片排6的角度设置β₂。

图3说明表示用于确定推进式螺旋桨4的角度设置β₁以及在所述推进式螺旋桨4下游的环形定子叶片排6的角度设置β₂的方法的示意图。此方法12可以在所述推进系统(FADEC-“全权限数字式发动机控制”)的计算器中实施。

所述方法12包括建立推进式螺旋桨4的理论模型14的第一步骤。为此，使用与所述推进式螺旋桨相关联的功率P₁和机械速度N₁以及飞行条件16作为推进式螺旋桨的理论模型的输入，所述飞行条件包括入射在推进式螺旋桨上的气流的速度V₀、所述推进系统的高度和环境温度。推进式螺旋桨4的这种理论模型14可以确定所述推进式螺旋桨4的角度设置β₁。所述推进式螺旋桨因此借助于所述理论模型建模，所述理论模型采用包括一组无量纲系数的表格形式，所述一组无量纲系数包括针对入射气流的多个速度V₀，为所述推进式螺旋桨4的多个角度设置β₁定义的进距比J₁、功率系数C_p,1和拉力系统C_T,1。作为推进式螺旋桨的理论模型14的输出，包含至少所述推进式螺旋桨4的功率系数C_p,1、拉力系数C_T,1和进距比J₁的无量纲参数17可以使用并且将由以下公式定义：

其中ρ对应于环境空气的密度，V₀对应于所述推进系统的飞行速度，N₁对应于所述推进式螺旋桨的机械速度，D₁对应于所述推进式螺旋桨的直径，P₁对应于所述推进式螺旋桨的功率，T₁对应于所述推进式螺旋桨的拉力。

随后将与推进式螺旋桨4相关联的这些无量纲参数17传送到所述环形定子叶片排18的设置模型，如图5中所示。实际上，根据所述无量纲参数17，纵向速度V_iz和切向分量V_iθ基于纵向速度V_iz的弗劳德动量守恒定律和切向分量V_iθ的欧拉定律计算。这两个速度V_iz和V_iθ遵循以下关系：

其中K₁是与推进式螺旋桨4的径向尺寸相关的常数，并且：

其中K₁和K₂是与推进式螺旋桨4的径向尺寸相关的常数。

随后根据以下关系：

根据所述纵向速度V_iz和切向分量V_iθ获得所述角度

预先构建数据库20。它允许每个角度

与针对不同马赫数获得的环形定子叶片排6的不同角度设置β₂相关联。

为了实施所述数据库20，根据以下公式计算矫直机的拉力系数C′_T,2：

其中D₂对应于所述环形定子叶片排6的直径，T₂对应于所述环形定子叶片排6的拉力，并且V₂对应于由所述环形定子叶片排6接收的速度。需要此拉力系数来创建数据库。

数据库是使每个马赫数和角度

与所述环形定子叶片排6的角度设置β₂的值相关联的表格。此数据库通过模拟或通过测试构建。计算与参数的所有组合相关联的若干操作条件。所考虑的参数是：转子速度N1、飞行马赫数、推进式螺旋桨4的角度设置β₁和所述环形定子叶片排6的角度设置β₂。对于这些操作点中的每一个，计算角度

和拉力系数C′_T,2。这给出随着飞行马赫数、角度

和所述环形定子叶片排6的角度设置β₂变化的拉力系数C′_T,2的表格。对于此表格中的每个飞行马赫数和角度

选择将系数C′_T,2最大化的环形定子叶片排6的角度设置β₂的值。因此，获得采用随着马赫数和角度

变化的环形定子叶片排6的角度设置β₂形式的控制定律。

如上文所述的数据库的创建可以快速地且简单地执行将应用于所述环形定子叶片排的角度设置β₂的最佳值的确定。此数据库可以集成到不需要添加复杂计算构件的FADEC的存储器单元中。

根据此数据库20、所述角度

以及与入射在推进式螺旋桨上的气流的速度相关联的马赫数10，确定将应用于所述环形定子叶片排6的角度设置β₂。

最后，所述环形定子叶片排6的角度设置β₂由FADEC系统传送到致动器，所述致动器控制所述环形定子叶片排6的设置。本文所提供的系统和逻辑使得确定所述环形定子叶片排行的角度设置β₂更容易实施，对飞行条件16的变化更稳健并且更容易存储在FADEC中，因为所述方法12需要更少的数据。由于角度设置β₂的这种确定方式，所述环形定子叶片排6总是提供给定飞行阶段的最佳推力量。

Claims (6)

1.用于确定布置在具有纵向轴线(2)的推进系统(1)的推进式螺旋桨(4)下游的环形定子叶片排(6)的角度设置(β₂)的方法，所述环形定子叶片排(6)接收具有速度(V₂)的气流，所述速度包含纵向分量(V_iz)和与由所述推进式螺旋桨(4)产生的回转的速度相关联的切向分量(V_iθ)，所述方法包括以下步骤：

a)使用与所述推进式螺旋桨(4)相关联的功率(P₁)和机械速度(N₁)以及飞行条件(16)建立所述推进式螺旋桨(4)的理论模型(14)，所述飞行条件包括入射在所述推进式螺旋桨上的气流的速度、所述推进系统(1)的高度和环境温度；

b)根据所述理论模型(14)确定所述推进式螺旋桨(4)的角度设置(β₁)；

c)根据所述推进式螺旋桨(4)的理论模型(14)，定义无量纲参数(17)，其至少包含由以下公式定义的推进式螺旋桨(4)的功率系数(C_p,1)、拉力系数(C_T,1)和进距比(J₁)：

其中

ρ对应于环境空气的密度，

V₀对应于所述推进系统的飞行速度，

N₁对应于所述推进式螺旋桨的机械速度，

D₁对应于所述推进式螺旋桨的直径，

P₁对应于所述推进式螺旋桨的功率，

T₁对应于所述推进式螺旋桨的拉力，

d)根据所述无量纲参数(16)计算入射在所述环形定子叶片排(6)上的气流的速度(V₂)的纵向分量(V_iz)和切向分量(V_iθ)，并且推导出入射在所述环形定子叶片排(6)上的气流的速度与所述推进式螺旋桨(4)的旋转平面(8)之间的角度

e)根据所述角度

与入射在所述推进式螺旋桨(4)上的气流的速度相关联的马赫数(10)和与每个角度

相关联的数据库(20)来确定要应用于所述环形定子叶片排(6)的角度设置(β₂)，针对不同马赫数(10)获得所述环形定子叶片排(6)的不同角度设置(β₂)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算入射在所述环形定子叶片排(6)上的气流的速度(V₂)的纵向分量(V_iz)：

其中K₁是与所述推进式螺旋桨(4)的径向尺寸相关的常数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算入射在所述环形定子叶片排(6)上的气流的速度(V₂)的切向分量(V_iθ)：

其中K₁和K₂是与所述推进式螺旋桨(6)的径向尺寸相关的常数。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于，所述角度

遵从以下公式：

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过FADEC系统将所述环形定子叶片排(6)的角度设置(β₂)传送到致动器，所述致动器控制所述环形定子叶片排(6)的角度设置(β₂)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述数据库(20)是通过模拟或测试构建的表格，其中根据例如转子速度N1、飞行马赫数、所述推进式螺旋桨(4)的角度设置β₁和所述环形定子叶片排6的角度设置β₂等参数的所有组合计算多个操作条件，从而得出随着所述飞行马赫数、角度

和所述环形定子叶片排(6)的角度设置β₂变化的最大拉力系数C′_T,2的表格。

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