JP2007090994A - Evaluating method and designing method for blade airfoil - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブレードの翼型を評価する方法および翼型を設計する方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating blade airfoils and a method for designing airfoils.
図3は、本発明を説明するための図ではあるが、この図3を参照しながら説明すると、ヘリコプタのブレードは矢符A方向の回転を伴いながら、飛行方向Bに向かって前進している。したがってブレードは、ヘリコプタが前進している状態では、ブレードの角度位置によって、大気に対する相対速度が異なる。またブレードの大気に対する相対速度は、翼根と翼端では異なる。さらに図4は、本発明を説明するための図ではあるが、この図4を参照しながら説明すると、前進中には、前進側と後退側とで、揚力を釣り合せるためには、1回転中にブレードのピッチ角とも呼ばれる迎角αを変化させる必要がある。したがってブレードは、迎角と相対速度とが常に変化する環境下で、運動している。 FIG. 3 is a view for explaining the present invention. However, with reference to FIG. 3, the blade of the helicopter moves forward in the flight direction B while rotating in the direction of the arrow A. . Therefore, when the helicopter is moving forward, the blades have different relative velocities with respect to the atmosphere depending on the angular position of the blades. The relative velocity of the blade to the atmosphere is different at the blade root and tip. Further, FIG. 4 is a diagram for explaining the present invention. Referring to FIG. 4, in order to balance the lift force between the forward side and the backward side during forward movement, one rotation is performed. It is necessary to change the angle of attack α, also called the pitch angle of the blade. Therefore, the blade is moving under an environment in which the angle of attack and the relative speed are constantly changing.
図11は、従来の技術の翼型の性能評価に用いられる指標を示すグラフである。図11には、最大揚力係数CLmaxと、抵抗発散マッハ数MDDとを示す。図11において、各線1〜4は、最大揚力係数CLmaxを示し、各線5〜7は、抵抗発散マッハ数MDDを示す。線1と線5とは、同一の翼型の特性であり、線2と線6とは、同一の翼型の特性であり、線3と線6とは、同一の翼型の特性である。
FIG. 11 is a graph showing indices used for performance evaluation of a conventional airfoil. FIG. 11 shows the maximum lift coefficient C Lmax and the resistance divergence Mach number M DD . In FIG. 11, each line 1-4 shows the maximum lift coefficient CLmax , and each line 5-7 shows resistance divergence Mach number MDD .
ブレードの翼型は、翼型を定義するパラメータを修正しながら、翼型の性能を評価し、最適な翼型を求める自動最適設計演算によって、設計される。翼型を設計するにあたっての翼型の性能の評価には、評価指標が用いられる。評価指標は、相対速度が低い低速域では、最大揚力係数CLmaxが指標として用いられ、相対速度が高い高速域では、抵抗発散マッハ数MDDまたはバフェット発生揚力係数CLbuffetが用いられている。このような評価指標は、たとえば非特許文献1に示されるような数値流体解析(略称CFD)によって、求められる。
The blade airfoil is designed by an automatic optimum design calculation that evaluates the performance of the airfoil while correcting the parameters that define the airfoil and obtains the optimum airfoil. An evaluation index is used to evaluate the performance of the airfoil when designing the airfoil. Evaluation index, the relative speed is low low-speed range, the maximum lift coefficient C Lmax is used as an index, the relative speed is higher the high-speed range, the resistance diverges mach number M DD or buffet generating lift coefficient C Lbuffet is used. Such an evaluation index is obtained, for example, by numerical fluid analysis (abbreviated as CFD) as shown in
相対速度が低速域にある場合、ブレードの迎角を増加させるとこれに伴って揚力が増加するが、ある迎角で最大値となる。この揚力が最大となるときの揚力係数が、最大揚力係数CLmaxである。相対速度が高速域にある場合、明確な最大揚力はなくなる。また相対速度が高速域では、迎角が大きくなるとともに揚力も増加する傾向を示すが、ある迎角で空気力の振動であるバフェットを生じる。このバフェットを生じる点の揚力係数がバフェット発生揚力係数CLbuffetである。抵抗発散マッハ数MDDは、迎角を変化させて揚力係数を一定に保持しならがら相対速度を高くしたときに、抵抗が急激に増加する相対速度を表すマッハ数である。 When the relative speed is in the low speed range, increasing the angle of attack of the blade increases the lift, but reaches a maximum value at a certain angle of attack. The lift coefficient when the lift is maximum is the maximum lift coefficient C Lmax . When the relative speed is in the high speed range, there is no clear maximum lift. Further, when the relative speed is high, the angle of attack increases and the lift tends to increase. However, a buffet that is aerodynamic vibration occurs at a certain angle of attack. The lift coefficient at the point where the buffet is generated is the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet . The resistance divergence Mach number MDD is a Mach number representing a relative speed at which the resistance rapidly increases when the angle of attack is changed to increase the relative speed while keeping the lift coefficient constant.
前述のような最大揚力係数CLmax、抵抗発散マッハ数MDD、バフェット発生揚力係数CLbuffetを指標として用いる構成では、次のようないくつかの問題点を有する。CFD計算で解が振動を始める点の揚力係数を、計算上のバフェット発生揚力係数CLbuffetとしているが、本来は物理的な流体力の振動開始の条件を意味する。数値解が振動解になるか否かは、純粋に数値的なアルゴリズム上の工夫である時間積分法によっても異なり、物理的な流体振動と同一視することには疑問がある。また図11には抵抗発散マッハ数MDDしか示していないが、高速域での指標として用いる抵抗発散マッハ数MDDとバフェット発生揚力係数CLbuffetとは、互いに異なる限界値を示し、どちらに指標を優先すべきなのか判断できない。また図11に示すように、抵抗発散マッハ数MDDは、0.8未満であるが、実機では、ブレードに対する大気の相対速度がマッハ数で表すとM>0.8となる状態で用いられており、この高速域での特性に関して、抵抗発散マッハ数MDDが限界を正しく表現している指標であるとは言えない。 The configuration using the maximum lift coefficient C Lmax , the resistance divergence Mach number M DD , and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet as described above has several problems as follows. The lift coefficient at the point where the solution starts to vibrate in the CFD calculation is the calculated buffet- generated lift coefficient C Lbuffet , which originally means a condition for starting the vibration of the physical fluid force. Whether or not a numerical solution becomes a vibration solution also depends on the time integration method, which is a purely numerical algorithm, and there is a question of equating it with physical fluid vibration. FIG. 11 shows only the resistance divergence Mach number M DD, but the resistance divergence Mach number M DD and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet used as an index in the high-speed range show different limit values. I cannot judge whether to give priority to. As shown in FIG. 11, the resistance divergence Mach number MDD is less than 0.8. However, in the actual machine, when the relative velocity of the atmosphere with respect to the blade is expressed by the Mach number, M> 0.8 is used. Therefore, it can not be said that the resistance divergence Mach number MDD is an index that correctly expresses the limit regarding the characteristics in the high speed range.
さらに図11から明らかなように、最大揚力係数CLmaxと抵抗発散マッハ数MDDとは、不連続であり、境界付近において、いずれの指標を用いるべきなのか判断できない。また図11には、最大揚力係数CLmaxと抵抗発散マッハ数MDDとの関係しか示していなが、最大揚力係数CLmaxとバフェット発生揚力係数CLbuffetともまた、不連続となり、同様の問題を有している。また図11において、最大揚力係数CLmaxを示す各線1〜4が、相対速度を表すマッハ数Mの広範囲にわたって延びているが、前述のように、高速域では明確な最大揚力が表れない場合があるので、全域にわたって最大揚力係数CLmaxを用いることはできない。このように従来の構成では、相対速度の全域にわたって翼型の性能を評価することができない。翼型の静的な特性である最大揚力係数CLmax、抵抗発散マッハ数MDDおよびバフェット発生揚力係数CLbuffetが、ヘリコプタのブレードの翼型の評価指標として用いられてきたが、その翼型のブレードの広い利用範囲を考慮すると、最適とは言えない。またその翼型のブレードが曝される速度変動および迎角変動の動的変化を考慮したものになっていない。
Further, as apparent from FIG. 11, the maximum lift coefficient C Lmax and the resistance divergence Mach number M DD are discontinuous, and it cannot be determined which index should be used in the vicinity of the boundary. FIG. 11 shows only the relationship between the maximum lift coefficient C Lmax and the resistance divergence Mach number M DD , but the maximum lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet are also discontinuous, and the same problem occurs . Have. In FIG. 11, each of the
翼の性能に関連する他の従来の技術として、特許文献1〜4に示される技術が知られている。特許文献1には、実体翼の3次元計上の計測データに基づいて直接に翼の構造解析を行う、翼の構造解析モデルの生成方法が示されている。特許文献2には、供試翼列まわりの流れ場の可視化と壁圧などの同時計測を可能にする、翼周囲流れの解析実験装置が示されている。特許文献3には、物体表面あるいは流路壁面と流体の流れとの間に発生する剥離現象を抑制し、失速や不安定現象の改善を可能にする、流れの剥離制御装置が示されている。また解析に関する従来の技術として、特許文献4には、有限要素法解析を適用してコンピュータ解析を行う際の解析対象形状への解析条件を付与する作業を効率化し、処理工程数を大幅に減少する解析形状モデルへの解析条件の設定装置が示されている。これらの特許文献1〜4の構成を用いても、相対速度の全域にわたって翼型の性能を評価することができない。
As other conventional techniques related to the performance of a blade, techniques disclosed in
本発明の目的は、ブレードの大気に対する相対速度の全域にわたって、翼型の性能を評価することができるブレード翼型の評価方法、およびこの評価に基づくブレード翼型の設計方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a blade airfoil evaluation method capable of evaluating the performance of the airfoil over the entire range of the relative velocity of the blade to the atmosphere, and a blade airfoil design method based on this evaluation. .
本発明は、ブレードを一様気流中に配置した場合の抵抗係数が予め定める設定値以上になるブレードの迎角または前記抵抗係数が前記設定値以上になる揚力係数を、ブレードの翼型の評価指標として、静的解析によって求める解析工程と、
求めた評価指標を用いてブレードの翼型の性能を評価する評価工程とを備えることを特徴とするブレード翼型の性能評価方法である。
The present invention evaluates the blade attack angle at which the resistance coefficient when the blade is arranged in a uniform air flow is a predetermined value or more, or the lift coefficient at which the resistance coefficient is the set value or more, by evaluating the blade shape of the blade. As an index, an analysis process obtained by static analysis,
A blade airfoil performance evaluation method comprising: an evaluation step of evaluating the performance of the blade airfoil using the obtained evaluation index.
本発明に従えば、抵抗係数が設定値以上となる迎角または揚力係数が静的解析によって求められ、その迎角または揚力係数が、ブレードの翼型の性能を評価するための評価指標として用いられる。この評価指標は、ブレードが実際に用いられると想定される相対速度の全域にわたって得られる指標である。相対速度は、ブレードの大気に対する相対速度である。したがってこの評価指標を用いることによって、ブレードが実際に用いられると想定される相対速度の全域にわたって、1つの評価指標で翼型を評価することができ、翼型の静特性を好適に評価することができる。 According to the present invention, the angle of attack or lift coefficient at which the resistance coefficient is equal to or greater than the set value is obtained by static analysis, and the angle of attack or lift coefficient is used as an evaluation index for evaluating the performance of the blade airfoil. It is done. This evaluation index is an index obtained over the entire range of the relative speed at which the blade is assumed to be actually used. Relative speed is the relative speed of the blade to the atmosphere. Therefore, by using this evaluation index, it is possible to evaluate the airfoil with one evaluation index over the entire range of relative speeds where the blade is assumed to be actually used, and to appropriately evaluate the static characteristics of the airfoil. Can do.
また前記評価指標は、動的解析によって得られる結果に基づいて、動的失速が生じるか否かの判定のしきい値としても用いることができる。これによって評価指標は、静特性を表す指標として用いることができるだけでなく、翼型の動特性を推測するために用いることが可能である。したがって前記評価指標は、相対速度および迎角の動的変化を考慮した翼型の評価にも利用可能であり、高い有用性を有している。 The evaluation index can also be used as a threshold for determining whether or not dynamic stall occurs based on a result obtained by dynamic analysis. Thus, the evaluation index can be used not only as an index representing the static characteristics but also for estimating the dynamic characteristics of the airfoil. Therefore, the evaluation index can be used for airfoil evaluation in consideration of dynamic changes in relative speed and angle of attack, and has high utility.
また本発明は、前記抵抗係数の設定値は、0.02以上0.1以下であることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that the set value of the resistance coefficient is 0.02 or more and 0.1 or less.
本発明に従えば、抵抗係数が、0.02以上0.1以下の範囲内に設定される設定値以上となる迎角または揚力係数が評価指標として用いられる。揚力係数が最大となる迎角およびバフェットが発生する迎角よりも迎角が大きくなると、迎角の増加に伴って抵抗値が急激に増加する傾向を有している。この抵抗値の急増が始まる抵抗係数は、前記範囲内に存在するので、設定値を前記範囲内に設定することによって、最大揚力係数CLmaxおよびバフェット発生揚力係数CLbuffetを考慮した評価が可能になる。 According to the present invention, the angle of attack or the lift coefficient at which the resistance coefficient is not less than a set value set in the range of 0.02 to 0.1 is used as the evaluation index. When the angle of attack is larger than the angle of attack at which the lift coefficient is maximum and the angle of attack where the buffet is generated, the resistance value tends to increase rapidly as the angle of attack increases. Since the resistance coefficient at which the resistance value starts to increase is present within the above range, setting the set value within the above range enables evaluation in consideration of the maximum lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet. Become.
また本発明は、ブレードの翼型を定義するパラメータを初期設定する初期設定工程と、
設定されるパラメータによって翼型を定義する翼型定義工程と、
定義される翼型の性能を、請求項1または2に記載のブレード翼型の性能評価方法によって評価する性能判断工程と、
翼型の性能判断結果に基づいて、翼型の性能が最適値に収束しているか否かを判定し、最適値に収束していると判定する場合、その翼型を設計翼型として出力する判定出力工程と、
判定出力工程で、収束していないと判定する場合、前記パラメータを修正して設定し、前記翼型定義工程から判定出力工程までを繰返す繰返し工程とを備えることを特徴とするブレード翼型の設計方法である。
The present invention also includes an initial setting step for initial setting parameters for defining the blade shape of the blade;
An airfoil definition process for defining an airfoil according to set parameters;
A performance determination step of evaluating the performance of the defined airfoil by the performance evaluation method of the blade airfoil according to
Based on the airfoil performance judgment result, it is determined whether or not the airfoil performance has converged to the optimal value. If it is determined that it has converged to the optimal value, that airfoil is output as the design airfoil. A judgment output step;
A blade airfoil design comprising: a repetitive process of correcting and setting the parameters and repeating from the airfoil definition process to the determination output process when it is determined that it has not converged in the determination output process Is the method.
本発明に従えば、初期設定されるパラメータで定義される翼型について評価し、評価結果が最適値に収束するまで、パラメータを修正して翼型を定義し直し、翼型の評価を繰返して最適な翼型を設計することができる。このようにパラメータを修正しながら評価を繰返し、パラメータの最適値を求める方法は、いわゆる自動最適設計法である。この自動最適設計に、前述の評価方法による翼型の評価を組込むことによって、好適な評価に基づいて翼型を設計することができ、好適な翼型を設計することができる。 According to the present invention, the airfoil defined by the initially set parameters is evaluated, until the evaluation result converges to the optimum value, the parameters are corrected and the airfoil is redefined, and the airfoil evaluation is repeated. Optimal airfoils can be designed. The method of repeating the evaluation while correcting the parameters and obtaining the optimum value of the parameters is a so-called automatic optimum design method. By incorporating the evaluation of the airfoil by the above-described evaluation method into this automatic optimum design, the airfoil can be designed based on a suitable evaluation, and a suitable airfoil can be designed.
本発明によれば、ブレードが実際に用いられると想定される相対速度の全域にわたって、1つの評価指標で翼型を評価することができ、翼型の静特性を好適に評価することができる。また評価指標は、相対速度および迎角の動的変化を考慮した翼型の評価にも利用することができ、高い有用性を有している。 According to the present invention, the airfoil can be evaluated with one evaluation index over the entire range of the relative speed in which the blade is assumed to be actually used, and the static characteristics of the airfoil can be suitably evaluated. The evaluation index can also be used for airfoil evaluation considering dynamic changes in relative speed and angle of attack, and has high utility.
また本発明によれば、最大揚力係数CLmaxおよびバフェット発生揚力係数CLbuffetを考慮した評価が可能になる。したがってさらに好適な翼型の評価が可能である。 Further, according to the present invention, it is possible to perform an evaluation in consideration of the maximum lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet . Therefore, it is possible to evaluate a more suitable airfoil.
また本発明によれば、自動最適設計に、前述の評価方法による翼型の評価を組込むことによって、好適な評価に基づいて翼型を設計することができ、好適な翼型を設計することができる。 Further, according to the present invention, by incorporating the evaluation of the airfoil by the aforementioned evaluation method into the automatic optimum design, the airfoil can be designed based on a suitable evaluation, and a suitable airfoil can be designed. it can.
図1は、本発明の実施の一形態のブレード翼型の性能評価方法(以下単に「評価方法」という)を用いるブレード翼型の設計方法を示すフローチャートである。図2は、図1の設計方法を実行する設計装置20を示すブロック図である。図3は、ヘリコプタ10の前進飛行時におけるブレード11の対気速度分布を示す平面図である。図4は、ブレード3の迎角分布を示す図である。ヘリコプタ10には、複数枚の翼であるロータブレード(以下単に「ブレード」という)11が設けられるが、図3には、1枚のブレード11だけを仮想的に示す。
FIG. 1 is a flowchart showing a blade airfoil design method using a blade airfoil performance evaluation method (hereinafter simply referred to as “evaluation method”) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a
たとえば高性能ヘリコプタであるヘリコプタ10のブレード11の翼型は、計算流体力学に基づく数値流体解析(略称CFD)を用いて、数値的最適化法とも呼ばれる自動最適設計法によって設計される。この自動最適設計法では、翼型を定義するパラメータを修正しながら翼型の性能の評価を、たとえば数十回から数千回繰返すことによって、最適な翼型を設計している。したがって翼型の性能の評価に用いる好適な指標が得られれば、パラメータ修正と評価をと繰返す繰返しループを実行し、優れた翼型を設計することができる。このように翼型の設計において、翼型の性能の評価は重要な鍵であり、評価に用いる評価指標は重要である。本発明は、このような翼型の最適設計に好適に実施される。
For example, the airfoil of the
ヘリコプタ10のブレード11は、たとえば上方から見て反時計まわりとなる回転方向Aへの回転を伴いながら、飛行速度Vで飛行方向Bへ前進し、かつピッチ角とも呼ばれる迎角αを変化させる、という複雑な運動を行う。無風状態であると仮定する場合、ブレード11の大気に対する相対速度(以下「対気速度」という)Vaは、ブレードの回転角速度をΩとし、アジマス角をψとしたとき、回転速度R・Ωと飛行速度Vのブレードに対して垂直な方向成分(回転方向の成分)Vsinψとの和(=R・Ω+Vsinψ)で表される。「・」は、乗算を表す演算子である。Rは、回転中心からの距離であり、アジマス角ψは、後方の角度位置からの回転方向Aへの角度であり、ブレード11の角度位置を表す。ホバリング状態では、飛行速度Vは0であり、対気速度Vaは、ブレード11の角度位置に関わらず、回転速度R・Ωとなる。
The
対気速度Vaの一例を、マッハ数Mで示すと、ホバリング状態では、たとえば、翼根12の対気速度VaはM=0.2となり、翼端13の対気速度VaはM=0.6である。また飛行速度VがM=0.2である場合、ブレード11の翼端13の対気速度Vaは、1回転中に、前進側のアジマス角ψが90°の角度位置でM=0.8となり、後退側のアジマス角ψが270°の位置でM=0.4となる。本実施の形態では、このような広範囲の対気速度Vaの全域にわたって用いることができる評価指標を用いて、翼型の性能を評価し、翼型を設計する。本実施の形態では、M=0.4以下を低速域とし、M=0.7以上を高速域とし、低速域と高速域の間を中速域とする。以下、対気速度Vaの意味で、単にマッハ数Mという場合がある。
An example of the airspeed Va is indicated by the Mach number M. In the hovering state, for example, the airspeed Va of the
本発明において、比較的高速の領域は、前記高速域(M≧0.7)を含む比較的高い速度の領域を意味し、高速域だけに限定されるものではなく、M=約0.6以上の領域を意味する。また本発明において、比較的低速の領域は、前記低速域(M≦0.4)を含む比較的低い速度の領域を意味し、低速域だけに限定されるものではなく、M=約0.6未満の領域を意味する。 In the present invention, the relatively high speed region means a relatively high speed region including the high speed region (M ≧ 0.7), and is not limited to the high speed region, and M = approximately 0.6. It means the above area. In the present invention, the relatively low speed region means a relatively low speed region including the low speed region (M ≦ 0.4), and is not limited to the low speed region. An area of less than 6 is meant.
図2に示す設計装置20は、入力手段21と、記憶手段22と、外部記録手段23と、演算手段24と、出力手段25とを備える。この設計装置20は、たとえばコンピュータを用いて実現される。入力手段21は、翼型を定義するパラメータの情報、翼型の評価および設計を指令する指令情報を含む情報を入力するための手段、たとえばキーボードなどである。
The
記憶手段22は、コンピュータ内部に設けられる媒体に情報を記憶するための手段、たとえばハードディスクドライブおよび半導体メモリなどであり、たとえば本発明の設計方法および評価方法を実行するための演算プログラム、および演算プログラムによる演算に必要なデータなどが記憶される。外部記録手段23は、たとえばコンパクトディスク(略称CD)およびデジタルバーサタイルディスク(略称DVD)などの着脱可能な記録媒体に、情報を記録し、記録媒体に記録される情報を再生する手段であり、たとえば本発明の設計方法および評価方法を実行するための演算プログラム、および演算プログラムによる演算に必要なデータなどが記憶される。記憶手段22および外部記録手段23を含んで、演算プログラムおよびデータなどの情報を保持する情報保持手段が構成される。 The storage means 22 is a means for storing information in a medium provided inside the computer, such as a hard disk drive and a semiconductor memory, for example, an arithmetic program for executing the design method and evaluation method of the present invention, and an arithmetic program Data necessary for the calculation by is stored. The external recording means 23 is means for recording information on a removable recording medium such as a compact disc (abbreviated CD) and a digital versatile disc (abbreviated DVD) and reproducing the information recorded on the recording medium, for example, An arithmetic program for executing the design method and the evaluation method of the present invention, data necessary for arithmetic operations by the arithmetic program, and the like are stored. An information holding means for holding information such as a calculation program and data is configured including the storage means 22 and the external recording means 23.
演算手段24は、たとえば中央演算処理ユニット(略称CPU)によって実現され、入力手段21によって入力される指令情報に基づいて、記憶手段22および外部記録手段23のいずれかから、最適設計演算プログラム、CFD解析演算プログラムなどを含む演算プログラムおよびデータを読込み、入力手段21によって入力されるパラメータの情報を用いて、翼型の評価および設計のための演算を実行する。出力手段25は、演算手段24による演算結果を出力する手段であり、たとえば表示装置である。演算手段24による演算結果は、外部記録手段23によって記録媒体に記録するようにして出力してもよい。したがって出力手段25および外部記録手段23を含んで、演算結果を出力するための結果出力手段が構成される。
The arithmetic means 24 is realized by, for example, a central arithmetic processing unit (abbreviated as CPU), and based on command information input by the input means 21, an optimal design arithmetic program, CFD, or the like is obtained from either the storage means 22 or the external recording means 23. A calculation program and data including an analysis calculation program are read, and calculation for evaluation and design of the airfoil is executed using the parameter information input by the input means 21. The
このような設計装置20によって、具体的には、演算手段24によって、設計方法が実行される。演算手段24は、入力手段21によって、翼型を定義するパラメータの初期値を表す情報が入力され、翼型の設計を指令する指令情報が与えられると、図1に示すように、ステップs0で設計を開始し、ステップs1に進む。ステップs1では、演算手段24は、ブレード11の翼型を定義するパラメータを初期化する。具体的には、前記パラメータを、入力手段21によって入力される初期値に設定する。パラメータは、翼の形状を表す値であり、たとえば翼厚、キャンバ、翼弦長、前縁半径などを含む。このステップs1が、初期設定工程に相当する。
Specifically, the design method is executed by the
ステップs1でのパラメータ初期化が終了すると、ステップs2に進み、演算手段24は、設定されるパラメータによって翼型を定義する。このステップs2が、翼型定義工程に相当する。ステップs2での翼型の定義が終了すると、ステップs3に進む。ステップs3では、演算手段24は、定義される翼型に対して、対気速度Vaが比較的高速の領域にある場合のモーメントの変動特性および揚力の変動特性を、CFD解析によって求める。ここでモーメントは、ブレードに対するピッチング方向のモーメントであり、ねじりモーメントを含む。 When the parameter initialization in step s1 ends, the process proceeds to step s2, and the calculation means 24 defines the airfoil according to the set parameters. This step s2 corresponds to an airfoil definition process. When the definition of the airfoil in step s2 ends, the process proceeds to step s3. In step s3, the calculation means 24 obtains the fluctuation characteristics of moment and the fluctuation characteristics of lift by CFD analysis when the airspeed Va is in a relatively high speed region for the defined airfoil. Here, the moment is a moment in the pitching direction with respect to the blade, and includes a torsional moment.
ヘリコプタ10のブレード11は、細長い翼であり、ねじり剛性が低いので、空気力による大きなねじりモーメントが加わるとねじり変形を生じ、想定の空力特性が得られないことがある。またロータの回転面は、ブレード11に働く揚力を含む空気力によって変化するので、揚力の急変が生じると、ロータの回転面が予想外の挙動を示す。対気速度VaがM=0.8の近傍またはそれ以上の領域では、ブレード11の周囲の流れ場に衝撃波が発生する遷音速現象によって、前記回転面の予想外の挙動が発生しやすくなる。この回転面の予想外の挙動に繋がる、比較的高速の領域にある場合のモーメントの変動および揚力の変動を抑制することは、翼型の設計において重要なポイントの1つである。
The
比較的高速の領域にある場合のモーメントの変動特性および揚力の変動特性は、迎角αを一定に保持して、対気速度VaをM=0.6から除々に上昇させて解析を実行し、モーメントおよび揚力のM=0.6のときの値からの変化量が、予め設定されるしきい値を超えるマッハ数によってそれぞれ表すことができる。モーメントの変動特性は、マッハタックと呼ばれている。また、本発明の実施の他の形態では、これらの特性に代えて、揚力係数CLを一定に保持して、対気速度VaをM=0.6から徐々に上昇させて解析を実行し、モーメントおよび迎角αのM=0.6のときの値からの変化量が予め設定されるしきい値を超えるマッハ数でそれぞれ表される特性を用いることもできる。これらの特性は、数値が高いほど優れていると言える。ステップs3では、これらの特性について、その値、つまりマッハ数が、どのくらいであるかによって、翼型の性能を評価する。ステップs3での特性解析が終了すると、ステップs4に進む。 The moment fluctuation characteristics and lift fluctuation characteristics in a relatively high speed region are analyzed by keeping the angle of attack α constant and gradually increasing the airspeed Va from M = 0.6. The amount of change from the value when M = 0.6 of moment and lift can be represented by Mach numbers exceeding a preset threshold value, respectively. The variation characteristic of the moment is called Mach tack. In another embodiment of the present invention, instead of these characteristics, the lift coefficient C L is kept constant, and the airspeed Va is gradually increased from M = 0.6 to perform the analysis. In addition, it is also possible to use characteristics each represented by a Mach number at which the amount of change from the value when M = 0.6 of moment and angle of attack α exceeds a preset threshold value. It can be said that these characteristics are more excellent as the numerical value is higher. In step s3, the performance of the airfoil is evaluated according to the value of these characteristics, that is, the Mach number. When the characteristic analysis in step s3 ends, the process proceeds to step s4.
ステップs4では、演算手段24は、定義される翼型に対して、抵抗係数CDに基づいて評価する。このステップs4における翼型の性能を評価する評価方法は、解析工程と評価工程とを備えている。解析工程では、ブレード11を一様気流中に配置した場合の抵抗係数CDが予め定める設定値以上になるブレード11の迎角(以下「指標迎角」という)αnまたは前記抵抗係数CDが前記設定値以上になる揚力係数(以下「指標揚力係数」という)CLnを、ブレード11の翼型の評価指標として、静的解析によって求める。評価工程では、解析工程で求めた評価指標を用いて翼型の性能を評価する。抵抗係数CDは、ブレード11が受ける抵抗力を表す係数であり、揚力係数CLは、ブレード11が受ける揚力を表す係数である。
In step s4, the arithmetic means 24, relative to the wing type defined is evaluated based on the drag coefficient C D. The evaluation method for evaluating the performance of the airfoil in step s4 includes an analysis process and an evaluation process. In the analysis step, the drag coefficient C D is the angle of attack (the "index angle of attack") alpha n or the resistance coefficient C D of the
指標迎角αnおよび指標揚力係数CLnにおける添え字「n」は、抵抗係数CDの設定値を表す数値であり、抵抗係数CDの設定値の100倍の数値である。したがってたとえば、指標揚力係数CL300は、抵抗係数CDが0.03である場合の揚力係数を意味する。抵抗係数CDの設定値は、たとえば0.02以上0.1以下である。さらに好ましくは、0.03以上0.05以下である。 Served in the index angle of attack alpha n and index the lift coefficient C Ln letter "n" is a number representing the set value of the resistance coefficient C D, which is 100 times the value of the set value of the resistance coefficient C D. Thus, for example, the index coefficient of lift C L300 is drag coefficient C D means the lift coefficient when it is 0.03. Set value of the resistance coefficient C D is, for example, 0.02 to 0.1. More preferably, it is 0.03 or more and 0.05 or less.
図5は、抵抗係数CDが0.03である場合の揚力係数を表す指標揚力係数CL300を示すグラフである。図5には、複数の翼型、具体的にはNACA0012、NACA23012、VR−7、VR−8、HH−02、NACA23008、SC1095、AK100Dの各翼型の指標揚力係数CL300を、各線30〜37でそれぞれ示す。このように指標揚力係数CL300は、ブレード11が用いられることが想定される対気速度Vaの全域にわたって、つまり低速域から高速域にわたって連続する指標である。図5には、翼型の性能評価にほとんど影響しないので、対気速度VaがM<0.2の速度域について省略している。
FIG. 5 is a graph showing an index lift coefficient C L300 representing a lift coefficient when the resistance coefficient CD is 0.03. FIG. 5 shows index lift coefficients CL 300 of a plurality of airfoils, specifically, NACA0012, NACA23012, VR-7, VR-8, HH-02, NACA23008, SC1095, and AK100D. 37, respectively. Thus, the index lift coefficient C L300 is an index that is continuous over the entire air speed Va in which the
ステップs4では、たとえば図5に示すような抵抗係数CDが0.03である場合の揚力係数を表す指標揚力係数CL300を求め、その翼型の性能を評価する。具体的には解析工程では、指標揚力係数CL300を求める。そして評価工程で、指標揚力係数CL300を用いて翼型の性能を評価する。指標揚力係数CL300が高いほど、翼型の性能は高く、図5のようにグラフで示す場合、指標揚力係数CL300を示す線が、右上に位置するほど、翼型の性能は高い。したがって評価工程では、指標揚力係数CL300が、対気速度Vaの全域にわたってどのような値を示すかによって、つまり図5のようにグラフで示す場合、どのような位置にあるによって、翼型の性能を評価する。 In step s4, for example, an index lift coefficient C L300 representing a lift coefficient when the resistance coefficient CD is 0.03 as shown in FIG. 5 is obtained, and the performance of the airfoil is evaluated. Specifically, in the analysis step, an index lift coefficient C L300 is obtained. In the evaluation process, the performance of the airfoil is evaluated using the index lift coefficient C L300 . The higher the index lift coefficient C L300 is, the higher the performance of the airfoil is. As shown in the graph of FIG. 5, the higher the index lift coefficient C L300 is, the higher the airfoil performance is. Therefore, in the evaluation process, depending on what value the index lift coefficient C L300 shows over the entire air speed Va, that is, in the graph as shown in FIG. Evaluate performance.
またヘリコプタ10が160ktで飛行する場合に、指標揚力係数CL300で表される翼型の必要性能が、図5に破線38で示すような性能である場合、評価対象となる翼型の指標揚力係数CL300が、破線38よりも右上に存在すれば、評価対象となる翼型が必要性能を満たすことになる。評価工程では、このように必要性能を満たすか否かについても評価する。ステップs5で判定される指標揚力係数CL300に関する必要性能は、たとえば設計動作を開始する前に、パラメータの初期値とともに入力手段21によって入力される。このようなステップs4が、性能判断工程に相当する。ステップs4の性能判断工程が終了すると、ステップs5に進む。
Further, when the
ステップs5では、演算手段24は、ステップs4の性能判断工程における翼型の性能判断結果と、ステップs3における評価結果とに基づいて、翼型の性能が最適値に収束しているか否かを判定する。具体的には、翼型の性能が、必要性能を満たし、かつできるだけ高い性能であるか否かを判定する。比較的高速な領域にある場合のモーメントの変動特性および揚力の変動特性が、ロータ性能に与える影響は、前述のようにブレード11の剛性によっても異なるので、ブレード11の構造によって、その重要度は異なる。たとえば極めて剛性および強度の高いブレード11および駆動機構が実現できれば、モーメントの変動特性および揚力の変動特性の注意を払わなくてもよい、と極論できる。
In step s5, the calculation means 24 determines whether or not the performance of the airfoil has converged to the optimum value based on the performance determination result of the airfoil in the performance determination process of step s4 and the evaluation result in step s3. To do. Specifically, it is determined whether or not the performance of the airfoil satisfies the required performance and is as high as possible. The influence of the moment variation characteristic and the lift variation characteristic on the rotor performance in a relatively high speed region varies depending on the rigidity of the
ステップs5では、ブレード11の構造に基づいて、モーメントの変動特性および揚力の変動特性に関する評価と、指標揚力係数CL300を用いる評価とに、相対的な重付けをし、総合的に最適値に収束しているか否かを判定している。このステップs5で、最適値に収束していないと判定すると、ステップs6に進み、最適値に収束していると判定すると、ステップs7に進む。このステップs5は、判定出力工程に相当する。
In step s5, based on the structure of the
ステップs6では、演算手段24は、たとえば遺伝的アルゴリズムによって、前記パラメータを修正して再度設定し、ステップs2に進む。このようにステップs5の判定出力工程で収束していないと判定する場合、前記パラメータを修正して再度設定し、ステップs2の前記翼型定義工程からステップs5の判定出力工程までを繰返す。このようにステップs2からステップs5までを繰返す工程が、繰返し工程に相当する。 In step s6, the computing means 24 corrects and sets the parameters again, for example, using a genetic algorithm, and proceeds to step s2. As described above, when it is determined that the convergence has not been achieved in the determination output process of step s5, the parameter is corrected and set again, and the process from the airfoil definition process of step s2 to the determination output process of step s5 is repeated. The process of repeating steps s2 to s5 in this way corresponds to the repetition process.
このようなステップs1からステップs6までの工程を含んで、静解析を用いた自動最適設計による翼型設計の工程が構成され、ステップs5で最適値に収束していると判定する場合、その翼型を、静解析を用いた自動最適設計による翼型設計の工程における設計翼型、つまり静的性能の評価に基づく設計翼型として結果出力する。このようなステップs1〜s6の工程は、いわゆる自動最適設計法の手順である。つまり本実施の形態は、パラメータを設定して翼型を定義し、その翼型の評価を、パラメータを修正しながら繰返すことによって、最適な翼型を導出す翼型の自動最適設計法における翼型の評価法として、ステップs4のような評価指標を用いる性能評価を新たに採用するものである。これによって、好適な評価に基づいて翼型を設計することができ、好適な翼型を設計することができる。 When it is determined that the airfoil design process by the automatic optimum design using the static analysis is configured including the processes from step s1 to step s6, and it is determined in step s5 that the blade has converged to the optimum value, the blade The result is output as a design airfoil in the airfoil design process by automatic optimal design using static analysis, that is, a design airfoil based on the evaluation of static performance. Such processes of steps s1 to s6 are procedures of a so-called automatic optimum design method. In other words, the present embodiment defines the airfoil by setting parameters, repeats the evaluation of the airfoil while correcting the parameters, and derives the optimum airfoil by automatically reconfiguring the airfoil. As a mold evaluation method, performance evaluation using an evaluation index as in step s4 is newly adopted. Thereby, an airfoil can be designed based on a suitable evaluation, and a suitable airfoil can be designed.
ステップs7では、演算手段24は、ステップs5で、最適値に収束すると判定され、得られる設計翼型に対して、動的CFD解析を行い、翼型の動的性能を求め、ステップs8に進む。ステップs8では、演算手段24は、ステップs7で求められる動的性能が良好か否か、具体的には必要性能を満たしているか否かを判定する。ステップs8で判定される動的性能に関する必要性能は、たとえば設計動作を開始する前に、パラメータの初期値とともに入力手段21によって入力される。ステップs8で、動的性能が良好であると判定すると、ステップs9に進み、動的性能が良好ではないと判定すると、ステップs1に進む。
In step s7, the calculation means 24 is determined to converge to the optimum value in step s5, performs dynamic CFD analysis on the obtained design airfoil, obtains the dynamic performance of the airfoil, and proceeds to step s8. . In step s8, the computing means 24 determines whether or not the dynamic performance obtained in step s7 is good, specifically, whether or not the required performance is satisfied. The required performance related to the dynamic performance determined in step s8 is input by the
ステップs9では、演算手段24は、定義されている翼型を用いて、3次元のロータを定義し、ステップs10に進む。ステップs10では、演算手段24は、ステップs9で定義されるロータに対して、3次元CFD解析を行い、ロータの3次元的性能を求め、ステップs11に進む。ステップs11では、演算手段24は、ステップs10で求められる3次元的性能が良好か否か、具体的には必要性能を満たしているか否かを判定する。ステップs11で判定される3次元性能に関する必要性能は、たとえば設計動作を開始する前に、パラメータの初期値とともに入力手段21によって入力される。ステップs11で、3次元的性能が良好であると判定すると、ステップs12に進み、設計動作を終了し、3次元的性能が良好ではないと判定すると、ステップs1に進む。 In step s9, the computing means 24 defines a three-dimensional rotor using the defined airfoil, and proceeds to step s10. In step s10, the computing means 24 performs a three-dimensional CFD analysis on the rotor defined in step s9, obtains the three-dimensional performance of the rotor, and proceeds to step s11. In step s11, the calculation means 24 determines whether or not the three-dimensional performance obtained in step s10 is good, specifically, whether or not the required performance is satisfied. The required performance related to the three-dimensional performance determined in step s11 is input by the input means 21 together with the initial value of the parameter, for example, before starting the design operation. If it is determined in step s11 that the three-dimensional performance is good, the process proceeds to step s12. If the design operation is terminated and it is determined that the three-dimensional performance is not good, the process proceeds to step s1.
ステップs8またはステップs11からステップs1に進んだ場合、ステップs1におけるパラメータ初期化は、設計動作をスタートして最初にパラメータを初期化する場合と同様の初期化であってもよいし、ステップs8から移行する場合、ステップs7の結果に基づいて初期値を新たに演算して求めるようにしてもよいし、ステップs11から移行する場合、ステップs10の結果に基づいて初期値を新たに演算して求めるようにしてもよい。 When the process proceeds from step s8 or step s11 to step s1, the parameter initialization in step s1 may be the same initialization as when the design operation is started and the parameters are initialized first, or from step s8. When shifting, the initial value may be newly calculated based on the result of step s7. When shifting from step s11, the initial value is newly calculated based on the result of step s10. You may do it.
このように本実施の形態では、静的CFD解析に加えて、ステップs7〜s11の動的CFD解析および3次元CFD解析によって、性能が確認されるので、より好適な翼型を設計することができる。ステップs7〜s11の工程は、必須の構成ではなく、本発明の実施の他の形態として、ステップs7〜s11を備えない構成であってもよい。 As described above, in this embodiment, in addition to the static CFD analysis, the performance is confirmed by the dynamic CFD analysis and the three-dimensional CFD analysis in steps s7 to s11. Therefore, a more suitable airfoil can be designed. it can. The process of steps s7 to s11 is not an essential configuration, and may be a configuration without steps s7 to s11 as another embodiment of the present invention.
図6は、低速域における三分力特性を示すグラフである。図7は、高速域における三分力特性を示すグラフである。三分力特性は、揚力係数CL、抵抗係数CDおよびモーメント係数CMである。モーメント係数CMは、ブレードが受けるモーメントを表す係数である。図6には、対気速度Vaが、M=0.35の場合の三分力特性を示し、図7には、対気速度Vaが、M=0.75である場合の三分力特性を示す。図6(1)および図7(1)には、翼型がNACA0012である場合の三分力特性を示し、図6(2)および図7(2)には、翼型がVR−7である場合の三分力特性を示す。図6および図7において、各線40〜47は、揚力係数CLを示し、各線50〜57は、抵抗係数CDを示し、各線60〜67は、モーメント係数CMを示し、破線70は、グラフにおける抵抗係数CDが0.03である位置を示す。
FIG. 6 is a graph showing the three component force characteristics in the low speed region. FIG. 7 is a graph showing the three component force characteristics in the high speed region. The three component force characteristics are a lift coefficient C L , a resistance coefficient CD and a moment coefficient C M. The moment coefficient C M is a coefficient representing the moment that the blade receives. FIG. 6 shows the three-component force characteristics when the airspeed Va is M = 0.35, and FIG. 7 shows the three-component force characteristics when the airspeed Va is M = 0.75. Indicates. FIGS. 6 (1) and 7 (1) show the three component force characteristics when the airfoil is NACA0012, and FIGS. 6 (2) and 7 (2) show that the airfoil is VR-7. The three component force characteristics are shown. 6 and 7, each
図6に例示する三分力特性から明らかなように、低速域では、迎角αがある迎角に達するまでは、迎角αの増加に伴って単調に揚力が増加するが、ある迎角で揚力が最大値を示す。これを最大揚力といい、また、そこでの揚力係数CDを最大揚力係数と呼び、記号ではCLmaxで表す。さらに迎角αが、最大揚力係数CLmaxを示す迎角α付近以上になると、迎角αの増加に伴って、抵抗係数CDが急増するとともに、モーメント係数CMが急変するので、揚力がこれ以上大きくならないだけではなく、一般にこれ以上の迎角αで翼を用いることはできない。 As is clear from the three-component force characteristic illustrated in FIG. 6, in the low speed range, the lift increases monotonously as the angle of attack α increases until the angle of attack α reaches a certain angle of attack. Shows the maximum lift. This is called the maximum lift, and the lift coefficient C D there is called the maximum lift coefficient, and is represented by the symbol C Lmax . Further attack angle α is equal to or greater than around angle of attack α which indicates the maximum lift coefficient C Lmax, with increasing α angle of attack, the resistance coefficient C D is rapidly increased, since the moment coefficient C M suddenly changes, lift Not only does it not increase any more, but in general it is not possible to use a wing with a higher angle of attack α.
対気速度Vaを表すマッハ数Mの増大に伴なって、最大揚力係数CLmaxは徐々に低下する。図7に例示する三分力特性から明らかなように、翼型によって、多少、傾向は異なるが、最大揚力係数CLmaxに関して、M=約0.6以上の比較的高速の領域では、低速域でのような、ある迎角で明確な揚力の最大値を示すことはなくなり、一旦揚力が低下することもあるが、ある迎角以上になると、迎角増加とともに、揚力は徐々に上昇し、抵抗は急増、つまり抵抗係数CDは急増することがわかる。 As the Mach number M representing the airspeed Va increases, the maximum lift coefficient C Lmax gradually decreases. As is clear from the three-component force characteristics illustrated in FIG. 7, the tendency varies somewhat depending on the airfoil, but in the relatively high speed region where M = about 0.6 or more with respect to the maximum lift coefficient C Lmax , the low speed region The maximum lift is not shown at a certain angle of attack, and the lift may once decrease.However, when the angle of attack exceeds a certain angle, the lift gradually increases as the angle of attack increases. resistance rapidly, i.e. resistance coefficient C D it can be seen that the surge.
流体現象としては、衝撃波が強くなり、それに伴なう衝撃失速が発生し、流れが不安定になって空気力が振動を始めることが知られており(バッフェットオンセット)、この点の揚力を表す揚力係数を、バフェット発生揚力係数CLbuffetといい、従来の技術で述べたように、高速域における翼の限界性能の指標として用いられている。バフェット発生揚力係数CLbuffetは、遷音速(M>約0.7)で空気力が非定常となる揚力係数でもある。CFDによる演算結果でも、高迎角では定常解に収束せず、振動を始めるので、このときの迎角および揚力が、最大揚力係数CLmaxに代えて用いられている場合もある。図6および図7では、各線41,43,45,47,51,53,55,57,61,63,65,67が、振動的な性質を示す領域であり、図6および図7では、平均値を示している。
As a fluid phenomenon, it is known that the shock wave becomes stronger, the accompanying shock stall occurs, the flow becomes unstable, and the aerodynamic force starts to vibrate (Buffet on set). Is referred to as a buffet- generated lift coefficient C Lbuffet, and is used as an indicator of the critical performance of a blade in a high speed region as described in the prior art. The buffet- generated lift coefficient C Lbuffet is also a lift coefficient at which the aerodynamic force becomes unsteady at a transonic speed (M> about 0.7). Even in the calculation result by CFD, at a high angle of attack, it does not converge to a steady solution and starts to vibrate, and the angle of attack and lift at this time may be used instead of the maximum lift coefficient C Lmax . 6 and 7, the
図8は、抵抗発散マッハ数MDDを示すグラフである。図8(1)には、翼型がNACA0012である場合の抵抗発散マッハ数MDDを示し、図8(2)には、翼型がVR−7である場合の抵抗発散マッハ数MDDを示す。図8において、各線71,72は、揚力係数CLが−0.2である場合の抵抗係数CDを示し、各線73,74は、揚力係数CLが0.0である場合の抵抗係数CDを示し、各線75,76は、揚力係数CLが0.2である場合の抵抗係数CDを示す。また図8において、点線77は、揚力係数CLが−0.2である場合の抵抗発散マッハ数MDDを示し、各点線78,79は、揚力係数CLが0.0である場合の抵抗発散マッハ数MDDを示し、各点線80,81は、揚力係数CLが0.2である場合の抵抗発散マッハ数MDDを示す。また破線83は、グラフにおける抵抗係数CDが0.03である位置を示す。
FIG. 8 is a graph showing the resistance divergence Mach number MDD . FIG 8 (1), shows the drag divergence Mach number M DD when airfoil is NACA0012, 8 (2) is a drag divergence Mach number M DD when airfoil is VR-7 Show. 8, each
低速域から中速域での翼型の性能限界は、概ね、前述のような高迎角特性に現れるが、高速域、特にM=0.75を超える領域になると、迎角αよりも、マッハ数Mの増大による特性変化、典型的には抵抗係数CDの急増が顕著になる。そこで、揚力一定の条件(即ち迎角は揚力を設定値に調整するために変化させる)で、マッハ数Mを徐々に変えたときの特性が重要となり、マッハ数Mを増加させた場合にマッハ数Mの増加に対して抵抗が急増し始めるマッハ数Mを、抵抗発散マッハ数(Drag Divergence Mach Number)MDDといい、翼型の高速性能の指標として用いられている。抵抗発散マッハ数MDDは、M=0.6における抵抗係数CDに対して、抵抗係数CDに0.002増加するマッハ数である。 The performance limit of the airfoil from the low speed region to the medium speed region generally appears in the high angle-of-attack characteristics as described above, but in the high-speed region, particularly in the region exceeding M = 0.75, the angle of attack α increasing characteristic change due to the Mach number M, rapid increase in drag coefficient C D is significant, typically. Therefore, the characteristics when the Mach number M is gradually changed under the condition that the lift is constant (that is, the angle of attack is changed in order to adjust the lift to the set value), and the Mach number M increases when the Mach number M is increased. the Mach number M resistance begins increasing rapidly with an increase in the number M, say drag divergence Mach number (Drag divergence Mach number) M DD , is used as an index of high speed performance of the airfoil. Drag divergence Mach number M DD, to the resistance coefficient C D in M = 0.6, 0.002 Mach number which increases drag coefficient C D.
従来の技術の項で述べたように、最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetおよび抵抗発散マッハ数MDDを、評価指標として用いる方法には、いくつかの問題点がある。そこでこれらの問題点を解決し、より適切に幅広い条件での性能限界を表現し得る、性能指標を考える。各翼型、各マッハ数Mの三分力特性を見ると、最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetを示す迎角α以上となると、迎角αの増加に伴って、抵抗が急増していることがわかる。さらにどの翼型、どのマッハ数でも、最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetを示す場合の抵抗係数CDは、0.02以上0.1以下の範囲にあり、特に、0.03以上0.05以下の範囲に集中することを、本件発明者は確認している。図6〜図8の例では、最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetを示す場合の抵抗係数CDは、約0.03である。 As described in the section of the prior art, there are some problems in the method of using the maximum lift coefficient C Lmax , the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet and the resistance divergence Mach number M DD as evaluation indexes. Therefore, a performance index that solves these problems and can express performance limits under a wider range of conditions is considered. Looking at the three component force characteristics of each airfoil and Mach number M, when the angle of attack α exceeds the maximum lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet , the resistance increases rapidly as the angle of attack α increases. You can see that Furthermore, the resistance coefficient C D in the case of showing the maximum lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet for any airfoil and any Mach number is in the range of 0.02 to 0.1, particularly 0.03 The present inventors have confirmed that the concentration is within the range of 0.05 or less. In the example of FIGS. 6 to 8, the maximum lift coefficient C Lmax, the drag coefficient C D when indicating the buffet generating lift coefficient C Lbuffet, about 0.03.
したがって抵抗係数CDの設定値を、0.02以上0.1以下の範囲に、好ましくは0.03以上0.05以下に設定し、抵抗係数CDが設定値以上になるブレード11の迎角である指標迎角αnまたは前記抵抗係数CDが前記設定値以上になる揚力係数である指標揚力係数CLnを、ブレード11の翼型の評価指標とすることによって、翼型の性能を好適に評価することができる。抵抗の急増によって、これ以上の高速・高迎角は実用範囲から外れるので、前記指標迎角αnおよび指標指標揚力係数CLnは、単に最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetの代替というだけではなく、実用的な意味も大きい。最大揚力を示す迎角以上の迎角での揚力低下および抵抗急増の状態を「失速」と言い習わしているが、まさに抵抗急増によって速度が失われることを示している。
Therefore, the set value of the resistance coefficient C D is set in the range of 0.02 to 0.1, preferably 0.03 to 0.05, and the
最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetを示す場合の抵抗係数CDは、翼型によって異なるものであるが、本件発明者によって、ほとんどの翼型について、0.02以上0.1以下の範囲に存在することが確認されている。したがって抵抗係数の設定値として0.02以上0.1以下の範囲の値に設定することによって、翼型の評価に用いることができる指標となる。特に、最大揚力係数CLmax、バフェット発生揚力係数CLbuffetを示す場合の抵抗係数CDが、0.03以上0.05以下に集中することが、本件発明者によって確認されており、抵抗係数CDの設定値を、0.03以上0.05以下の範囲の値に設定することによって、より好ましい指標を得ることができる。 The resistance coefficient C D when the maximum lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet are shown varies depending on the airfoil, but is 0.02 or more and 0.1 or less for most of the airfoils by the present inventors. It has been confirmed that it exists in the range. Therefore, by setting the resistance coefficient to a value in the range of 0.02 or more and 0.1 or less, it becomes an index that can be used for the evaluation of the airfoil. In particular, the maximum lift coefficient C Lmax, the drag coefficient C D when indicating the buffet generating lift coefficient C Lbuffet is, to focus on 0.03 to 0.05, has been confirmed by the present inventors, the resistance coefficient C A more preferable index can be obtained by setting the set value of D to a value in the range of 0.03 to 0.05.
また高速域でも、抵抗係数CDの設定値が、0.02以上0.1以下の範囲にある場合、その抵抗係数CDがその設定値となるマッハ数Mを、発散抵抗マッハ数MDDに代えて用いることができる。したがって前記指標迎角αnおよび指標指標揚力係数CLnは、低速域でも高速域でも、好適に用いることができる。しかも低速域から高速域にわたって同一の指標を用いることができるので、翼型毎に連続した1本の曲線で、翼型性能を表すことができる。 Also in the high speed range, the set value of the drag coefficient C D is, when in the range of 0.02 to 0.1, the Mach number M and the resistance coefficient C D is the set value, the number of diverging resistance Mach M DD Can be used instead. Therefore, the index attack angle α n and the index index lift coefficient C Ln can be suitably used in both the low speed range and the high speed range. Moreover, since the same index can be used from the low speed region to the high speed region, the airfoil performance can be expressed by one continuous curve for each airfoil.
図9は、静的CFD解析の結果と動的CFD解析の結果とを示すグラフである。図9には、翼型がNACA0012の場合の、静的CFD解析による指標揚力係数CL300を線85で示し、動的CFD解析による揚力係数CLを実線86で示し、動的CFD解析による抵抗係数CDを破線87で示す。
FIG. 9 is a graph showing the result of static CFD analysis and the result of dynamic CFD analysis. In FIG. 9, when the airfoil is NACA0012, the index lift coefficient C L300 by static CFD analysis is shown by a
図9に示すように、動的な揚力は、瞬間的には静的な最大揚力を超えることができるが、その状態がしばらく続くと、その直後に大きな剥離を生じ、抵抗急増、モーメント急変を招くことが分る。その他の翼型においても傾向は概ね共通しており、動的解析による揚力係数が、静的な翼型の性能限界を示す指標揚力係数CL300以下の範囲では、動的にも剥離による大きな性能低下はなく、短時間であれば動的状態では静的な限界揚力を超えることができることを、本件発明によって確認している。 As shown in FIG. 9, the dynamic lift can momentarily exceed the static maximum lift, but if the state continues for a while, a large separation occurs immediately after that, causing a sudden increase in resistance and a sudden change in moment. I can see that. The trend is generally the same for other airfoils, and dynamic and large performance due to delamination as long as the lift coefficient by dynamic analysis is less than the index lift coefficient C L300 indicating the performance limit of static airfoils. It is confirmed by the present invention that there is no decrease and that the static limit lift can be exceeded in a dynamic state for a short time.
これは静的な状態では充分な時間が経過すると、翼上面の逆圧力勾配に呼応して境界層が成長し、揚力が低下してしまうのに対し、動的状態では短時間の間は境界層が薄い状態で保たれるためであると考えられる。このように、指標揚力係数CL300は、静的な性能限界を示すだけでなく、動的失速が起きるか否かの判定基準として有効である。具体的には、動的な揚力係数が、指標揚力係数CL300を超える場合には、失速が発生し、超えない場合は、失速が発生しないと判定することができる。前述のステップs8の判定において、このような判定によって、動的性能が良好であるか否かを判定してもよい。 In a static state, when sufficient time has elapsed, the boundary layer grows in response to the reverse pressure gradient on the blade upper surface, and the lift decreases. This is probably because the layer is kept thin. Thus, the index lift coefficient C L300 not only shows a static performance limit, but is also effective as a criterion for determining whether or not dynamic stall occurs. Specifically, when the dynamic lift coefficient exceeds the index lift coefficient C L300 , stall can occur, and when it does not exceed, it can be determined that no stall occurs. In the above-described determination in step s8, it may be determined whether or not the dynamic performance is good by such determination.
図10は、指標揚力係数CL300と、必要性能との関係を示すグラフである。図10には、翼型がNACA23012の場合の、静的CFD解析による指標揚力係数CL300を線90で示し、ヘリコプタ10が140kt(259.28km/h)で飛行するときに翼型に要求される必要性能を破線91で示し、ヘリコプタ10が160kt(296.32km/h)で飛行するときに翼型に要求される必要性能を一点鎖線92で示し、動的解析による動的CFD解析による抵抗係数CDを二点鎖線93で示す。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the index lift coefficient C L300 and the required performance. FIG. 10 shows the index lift coefficient C L300 by static CFD analysis when the airfoil is NACA23012 as a
従来技術の設計法では、ヘリコプタ10の前進速度Vが250km/hの状態で用いることができる翼型の設計が限界とされていた。本発明では、前進速度V=300km/hで飛行する中型民間ヘリコプタの開発を目的として用いることも可能である。つまり前進速度V=300km/hで飛行するときに必要とされる性能と、翼型の指標揚力係数CL300とを比較検討し、必要性能を満たすような翼型を設計すればよい。
The design method of the prior art has been limited to the design of an airfoil that can be used in a state where the forward speed V of the
ヘリコプタ10が300km/hの前進速度の水平飛行している状態で、顕著な性能低下を示さないブレード11の翼型に必要な性能を調べるためには、飛行状態でブレードの翼型が曝されるマッハ数、揚力または迎角の変動状況が必要である。しかし、実機飛行状態ではブレードは弾性変形によって、剛体とは空気力が異なり、更にその空気力と駆動力、遠心力などを受けて極めて複雑な運動を行うので、その迎角や揚力の予測は難しい。そこで、ヘリコプタロータブレードのための近似理論(線形翼素理論)に基づく解析プログラムの出力を参考値として、必要性能を求める。
In order to investigate the performance required for the airfoil of the
図10に示す140ktおよび160ktにおける必要性能は、その例として、現在市販されている中型民間ヘリコプタである商品名川崎BK−117C1型の140ktおよび160kt前進飛行時の96%スパン位置での翼断面に対する、マッハ数Mと揚力係数CLの計算値を示す。ただし、同機種は、実際には160ktで飛行するように構成されていないので、エンジン出力などを現状から外挿した近似結果である。また同機種は、翼型がNACA23012のブレード11の改修版を用いているので、翼型がNACA23012である場合の指標揚力係数CL300を示す。
The required performance at 140 kt and 160 kt shown in FIG. 10 is, for example, a wing cross section at a 96% span position of 140 kt and 160 kt forward flight of a commercial name Kawasaki BK-117C1 which is a medium-sized civil helicopter currently on the market. shows the calculated values of the Mach number M and the lift coefficient C L. However, since the same model is not actually configured to fly at 160 kt, it is an approximation result obtained by extrapolating the engine output and the like from the current state. The homogeneous, because airfoil is used refurbishment version of the
必要性能が、指標揚力係数CL300よりも小さい値の領域、つまり左下側の領域に収まれば、その翼型は、必要性能を満たし、必要性能が、指標揚力CL300よりも大きい値の領域、つまり右上側の領域にはみ出していれば、その翼型は、必要性能を満たしていない。図10に示す例では、140ktで飛行するときの必要性能は、翼型NACA23012の指標揚力係数CL300よりも左下側の領域にあり、性能限界の範囲内に収まっているが、160ktで飛行するときの必要性能は、翼型NACA23012の指標揚力係数CL300よりも右上側の領域にはみ出し、性能限界を超えている。このように必要性能を満たすか否かを判定することができる。 If the required performance falls within a region having a value smaller than the index lift coefficient C L300 , that is, the lower left region, the airfoil satisfies the required performance, and the required performance is a region having a value greater than the index lift C L300 . In other words, if the airfoil protrudes to the upper right region, the airfoil does not satisfy the required performance. In the example shown in FIG. 10, the required performance when flying at 140 kt is in the lower left region of the index lift coefficient C L300 of the airfoil NACA 23012 and is within the performance limit range, but it flies at 160 kt. The required performance at that time protrudes into the region on the upper right side of the index lift coefficient C L300 of the airfoil NACA 23012 and exceeds the performance limit. In this way, it can be determined whether the required performance is satisfied.
図5に、8種類の翼型の指標揚力係数CL300とともに、160ktで飛行するときの必要性能を示しているが、図5に例示した各翼型では、160ktで飛行するときの必要性能を満たしていない。しかしM=約0.45以上では、いずれかの翼型の指標揚力係数CL300が、160ktで飛行するときの必要性能を上回っているので、適切な設計によって必要性能を満足する翼型を作り上げることは可能と考えられる。つまり、本実施の形態の設計方法によって、指標揚力係数CL300を用いて、翼型の評価をしながら、160kt(約300km/h)で飛行するときの必要性能を満足する翼型、160kt(約300km/h)で飛行するときの必要性能に可能な限り近い性能を有する高性能の翼型を設計することができる。このとき動特性を考慮すれば、さらに高性能の高性能の翼型を設計することができるようになる。 FIG. 5 shows the required performance when flying at 160 kt together with the index lift coefficient C L300 of eight types of airfoils, but the required performance when flying at 160 kt is shown for each airfoil illustrated in FIG. not filled. However, when M = about 0.45 or more, the index lift coefficient C L300 of any airfoil exceeds the required performance when flying at 160 kt, so an airfoil that satisfies the required performance is created by appropriate design. It is considered possible. That is, with the design method of the present embodiment, an airfoil that satisfies the necessary performance when flying at 160 kt (about 300 km / h) while evaluating the airfoil using the index lift coefficient C L300 , 160 kt ( It is possible to design a high-performance airfoil having a performance as close as possible to that required when flying at about 300 km / h). If dynamic characteristics are taken into consideration at this time, a higher-performance airfoil can be designed.
このように指標揚力係数CLnは、ブレード11が用いられる対気速度Vaの幅広いマッハ数(速度域)について、翼型の性能限界を統一的に表現することができる。また動的失速が発生しない範囲の、動的な翼型性能は同じマッハ数、迎角での静的CFD解析から、ほぼ予測可能である。また指標揚力係数CLnは、動的失速を生じるか否かの判断に用いることができる。動的失速が生じると、抵抗急増およびモーメント急変を生じるので、第1の設計目標としては、指標揚力係数CLnが高くなるように設計し、運用範囲で必要性能がそれを超えないようにすることによって、高性能かつ必要性の満たす翼型を設計することができる。
As described above, the index lift coefficient C Ln can uniformly express the performance limit of the airfoil for a wide Mach number (speed range) of the airspeed Va in which the
本実施の形態によれば、抵抗係数CDが設定値以上となる揚力係数である指標揚力係数CLnを静的解析によって求め、その指標揚力係数CLnを、ブレード11の翼型の性能を評価するための評価指標として用いる。この指標揚力係数CLnは、ブレード11が実際に用いられると想定される相対速度Vaの全域にわたって得られる指標である。したがってこの指標揚力係数CLnを用いることによって、ブレード11が実際に用いられると想定される相対速度Vaの全域にわたって、1つの評価指標で翼型を評価することができ、翼型の静特性を好適に評価することができる。
According to the present embodiment, the index lift coefficient C Ln that is the lift coefficient at which the resistance coefficient CD is equal to or greater than the set value is obtained by static analysis, and the index lift coefficient C Ln is calculated based on the performance of the
また指標揚力係数CLnは、動的解析によって得られる結果に基づいて、動的失速が生じるか否かの判定のしきい値としても用いることができる。これによって指標揚力係数CLnは、静特性を表す指標として用いることができるだけでなく、翼型の動特性を推測するために用いることが可能である。したがって指標揚力係数CLnは、相対速度Vaおよび迎角αの動的変化を考慮した翼型の評価にも利用可能であり、高い有用性を有している。 The index lift coefficient C Ln can also be used as a threshold for determining whether or not dynamic stall occurs based on the result obtained by dynamic analysis. As a result, the index lift coefficient C Ln can be used not only as an index representing the static characteristics but also for estimating the dynamic characteristics of the airfoil. Therefore, the index lift coefficient C Ln can be used for airfoil evaluation in consideration of dynamic changes in the relative speed Va and the angle of attack α, and has high utility.
また具体的には、指標揚力係数CLnとして、抵抗係数CDが、0.02以上0.1以下の範囲内に設定される設定値以上となる揚力係数が用いられる。揚力係数が最大となる迎角およびバフェットが発生する迎角よりも迎角が高くなると、迎角の増加に伴って抵抗値が急激に増加する傾向を有している。この抵抗値の急増が始まる抵抗係数CDは、前記0.02以上0.1以下範囲内に存在するので、設定値を前記0.02以上0.1以下範囲内に設定することによって、最大揚力係数CLmaxおよびバフェット発生揚力係数CLbuffetを考慮した評価が可能になる。 Specifically, as the index lift coefficient C Ln , a lift coefficient at which the resistance coefficient C D is equal to or greater than a set value set in a range of 0.02 to 0.1 is used. When the angle of attack becomes higher than the angle of attack at which the lift coefficient is maximum and the angle of attack where the buffet is generated, the resistance value tends to increase rapidly as the angle of attack increases. The resistance coefficient C D at which the resistance value starts to increase rapidly exists in the range of 0.02 to 0.1. Therefore, the maximum value can be obtained by setting the set value in the range of 0.02 to 0.1. It is possible to evaluate in consideration of the lift coefficient C Lmax and the buffet- generated lift coefficient C Lbuffet .
さらに抵抗値の急増が始まる抵抗係数CDは、前記0.02以上0.1以下の範囲内のうち、特に0.03以上0.05以下の範囲内に集中している。したがって設定値を前記0.03以上0.05以下範囲内に設定することによって、さらに好適な指標となり、信頼性の高い評価が可能になる。 Further resistance coefficient C D which surge begins the resistance value of the range of the 0.02 to 0.1, are concentrated in particular 0.03 to 0.05 within the range. Therefore, by setting the set value within the range of 0.03 or more and 0.05 or less, it becomes a more suitable index, and highly reliable evaluation becomes possible.
このように指標揚力係数CLnを用いる評価は、明確でかつ容易な評価となるので、自動最適設計法に組込み、好適な評価に基づいて翼型を設計することができ、好適な翼型を設計することができる。従来の技術では不可能であった高性能の翼型の設計も可能になる。しかも指標揚力係数CLnを用いる評価法は、汎用的なので、翼型についてのあらゆる目的の改良に利用できるが、特に高速性能およびホバリング性能の向上に大きな効果を発揮することができる。 Since the evaluation using the index lift coefficient C Ln is clear and easy, it can be incorporated into the automatic optimum design method and the airfoil can be designed based on a suitable evaluation. Can be designed. High-performance airfoil designs that were not possible with conventional technology are also possible. Moreover, since the evaluation method using the index lift coefficient C Ln is general-purpose, it can be used for improving all purposes of the airfoil, but it can exert a great effect particularly in improving high-speed performance and hovering performance.
また高速域で重要なモーメント変化に関しては、動特性と静特性の一致が良いので、静的解析の結果を用いて評価し、できるだけモーメント変化の少ない翼型を選ぶようにすれば、さらに好ましい翼型の設計が可能になる。 For moment changes that are important in the high-speed range, the dynamic characteristics and static characteristics agree well, so it is better to evaluate using static analysis results and select an airfoil with as little moment change as possible. Mold design is possible.
前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、構成を変更することができる。前述の実施の形態では、指標揚力係数CLnとして、抵抗係数CDが0.03である場合の揚力係数CL300が用いられたけれども、抵抗係数CDが他の設定値、たとえば0.04、0.05などである揚力係数を用いるようにしてもよい。抵抗係数CDが0.03以上0.05以下の範囲にあるときには、同様に信頼性の高い評価が可能である。抵抗係数CDの設定値は、0.03以上0.05以下の範囲外で、0.02以上0.1以下の範囲内で設定するようにしてもよいし、0.02未満および0.1を超える値に設定するようにしてもよい。 The above-described embodiment is merely an example of the present invention, and the configuration can be changed. In the above-described embodiment, the lift coefficient C L300 when the resistance coefficient C D is 0.03 is used as the index lift coefficient C Ln , but the resistance coefficient C D is another set value, for example, 0.04. , 0.05 or a lift coefficient such as 0.05 may be used. When the resistance coefficient C D is in the range of 0.03 or more and 0.05 or less, similarly highly reliable evaluation is possible. Set value of the resistance coefficient C D is outside the range of 0.03 to 0.05, may be set within a range of 0.02 to 0.1, 0.02 and less than 0. A value exceeding 1 may be set.
また評価指標として、指標揚力係数CLnに代えて、抵抗係数CDが設定値以上となる迎角である指標迎角αnを用いるようにしてもよい。指標迎角αnは、指標揚力係数CLnと同様に用いることができ、指標揚力係数CLnを用いる場合と同様の効果を達成することができる。指標迎角αnにおける抵抗係数CDが設定値は、指標揚力係数CLnの場合の設定値と同一の範囲の設定値を用いることが可能である。たとえば抵抗係数CDが0.05以上となる迎角(指標迎角)α500を用いることが可能であり、同様の効果を得ることができる。 Further, instead of the index lift coefficient C Ln , an index attack angle α n that is an angle of attack at which the resistance coefficient CD is equal to or greater than a set value may be used as the evaluation index. Index angle of attack alpha n may be used in the same manner as the index lift coefficient C Ln, it is possible to achieve the same effect as the case of using an index lift coefficient C Ln. Resistance coefficient C D is the set value of the index angle of attack alpha n, it is possible to use a set value of the same range as for the set value when the indicator lift coefficient C Ln. For example, it is possible to use an angle of attack (index angle of attack) α 500 at which the resistance coefficient CD is 0.05 or more, and the same effect can be obtained.
さらに評価および設計の対象となる翼型は、ヘリコプタのロータブレードの翼型に限定されることはなく、他のブレード(翼)の翼型、プロペラの翼型(断面形状)を含む。プロペラもブレードに含まれる。 Further, the airfoil to be evaluated and designed is not limited to the helicopter rotor blade airfoil, but includes other blade (wing) airfoil and propeller airfoil (cross-sectional shape). A propeller is also included in the blade.
10 ヘリコプタ
11 ブレード
20 設計装置
21 入力手段
22 記憶手段
23 外部記録手段
24 演算手段
25 出力手段
DESCRIPTION OF
Claims (3)
求めた評価指標を用いてブレードの翼型の性能を評価する評価工程とを備えることを特徴とするブレード翼型の性能評価方法。 The blade attack angle at which the resistance coefficient when the blade is placed in a uniform airflow is greater than or equal to a preset value or the lift coefficient at which the resistance coefficient is greater than or equal to the set value is used as an evaluation index for the blade airfoil. Analysis process required by dynamic analysis,
A blade airfoil performance evaluation method comprising: an evaluation step of evaluating the performance of the blade airfoil using the obtained evaluation index.
設定されるパラメータによって翼型を定義する翼型定義工程と、
定義される翼型の性能を、請求項1または2に記載のブレード翼型の性能評価方法によって評価する性能判断工程と、
翼型の性能判断結果に基づいて、翼型の性能が最適値に収束しているか否かを判定し、最適値に収束していると判定する場合、その翼型を設計翼型として出力する判定出力工程と、
判定出力工程で、収束していないと判定する場合、前記パラメータを修正して設定し、前記翼型定義工程から判定出力工程までを繰返す繰返し工程とを備えることを特徴とするブレード翼型の設計方法。 An initial setting step for initial setting of parameters defining the blade shape;
An airfoil definition process for defining an airfoil according to set parameters;
A performance determination step of evaluating the performance of the defined airfoil by the performance evaluation method of the blade airfoil according to claim 1 or 2,
Based on the airfoil performance judgment result, it is determined whether or not the airfoil performance has converged to the optimal value. If it is determined that it has converged to the optimal value, that airfoil is output as the design airfoil. A judgment output step;
A blade airfoil design comprising: a repetitive process of correcting and setting the parameters and repeating from the airfoil definition process to the determination output process when it is determined that it has not converged in the determination output process Method.
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