JP4825099B2 - Blade airfoil design method - Google Patents

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Description

本発明は、ヘリコプタのロータブレードの翼型を設計するブレード翼型設計方法に関する。 The present invention relates to a blade airfoil design how to design a wing of a helicopter rotor blade.

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、ヘリコプタのロータブレード(以下単に「ブレード」という)は、矢符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、対気速度が異なる。またブレードの対気速度は、ハブ側の翼根とチップ側の翼端とでは異なる。 FIG. 3 is a diagram for explaining the present invention. However, with reference to FIG. 3, the rotor blade of the helicopter (hereinafter simply referred to as “blade”) is accompanied by rotation in the direction of arrow A , It is moving forward in the flight direction B. Therefore, when the helicopter is moving forward, the air speed of the blade varies depending on the angular position of the blade. The airspeed of the blade is different between the hub-side blade root and the tip-side blade tip.

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、ヘリコプタが前進している状態では、前進側と後退側とで、揚力を釣り合せるために、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αと対気速度とが常に変化する環境下で、運動している。   Further, FIG. 4 is a view for explaining the present invention. Referring to FIG. 4, when the helicopter is moving forward, the lift force is balanced between the forward side and the backward side. It is necessary to change the angle of attack α, also called the pitch angle of the blade, during one rotation. Therefore, the blade is moving in an environment where the angle of attack α and the airspeed constantly change.

このようなブレードの翼型は、経験則で候補の形状が設計され、風洞試験によって性能が評価確認され、要求性能を満たす形状が選ばれていた。風洞試験には、大掛かりな風洞設備が必要であるので、性能の評価確認のために、風洞試験に代えて、数値流体力学(CFD)に基づく解析が利用されている。さらにCFD解析を利用する場合、このCFD解析によって、翼型を評価しながら、翼型を決定するパラメータを最適化アルゴリズムで修正して最適化する自動最適設計方法によって、翼型が自動的に設計されている。   As for the blade shape of such a blade, candidate shapes were designed based on empirical rules, performance was evaluated and confirmed by wind tunnel tests, and shapes that satisfy the required performance were selected. Since the wind tunnel test requires large-scale wind tunnel facilities, an analysis based on computational fluid dynamics (CFD) is used in place of the wind tunnel test in order to evaluate and confirm the performance. In addition, when using CFD analysis, the airfoil is automatically designed by the automatic optimization design method in which the airfoil is evaluated and the parameters for determining the airfoil are modified by the optimization algorithm and optimized by the CFD analysis. Has been.

ブレードには、大きな最大揚力、ヘリコプタの飛行速度に関する高い速度限界、および小さな縦揺れモーメント特性が要求される。これらの性能は、互いに相反する側面を有するので、CFD解析を利用する最適化アルゴリズムでの設計方法であっても、全ての性能を満足するブレードの翼型を設計することは困難であった。そのうえ、CFD解析を利用する最適化アルゴリズムでの設計方法では、CFD解析での評価のし方によっては精度が低くなってしまい、かつ演算に膨大な時間を必要としてしまう。さらに1つのブレードであっても、翼根付近と翼端付近とでは、要求性能が異なるので、複数の部位について、その部位毎に設計が必要であり、翼型の設計はさらに困難になっていた。 Blades are required to have high maximum lift, high speed limits for helicopter flight speed, and small pitch moment characteristics. Since these performances have mutually contradictory aspects, it is difficult to design a blade airfoil that satisfies all the performances even with an optimization algorithm design method that utilizes CFD analysis. In addition, the design method using an optimization algorithm that uses CFD analysis results in low accuracy depending on how the evaluation is performed in CFD analysis, and requires an enormous amount of time for computation. Even further one blade, in the vicinity of the blade root and near the blade tip, since performance required is different for a plurality of sites, it is necessary to design each the site, difficulties in airfoil design Hasa et al It was.

たとえば特許文献1に、軸流圧縮機の翼列に備わる翼の形状を、多目的遺伝的アルゴリズムによって最適設計する方法が示されている。しかし前述のようにヘリコプタのブレードには、特有の性能要求が存在し、特許文献1に示される設計方法をそのまま利用しても、ヘリコプタのブレードの翼型を好適に設計することはできない。このようにヘリコプタのブレードの翼型の設計に適した設計方法は存在せず、好適な設計方法が望まれている。   For example, Patent Document 1 discloses a method for optimally designing the shape of a blade provided in a cascade of an axial compressor by a multi-purpose genetic algorithm. However, as described above, there are specific performance requirements for the helicopter blade, and even if the design method disclosed in Patent Document 1 is used as it is, it is not possible to suitably design the airfoil of the helicopter blade. Thus, there is no design method suitable for designing the helicopter blade airfoil, and a suitable design method is desired.

特開2002−70504号公報JP 2002-70504 A

本発明の目的は、ヘリコプタのロータブレードの翼型を好適に設計することができる、ヘリコプタのロータブレードの翼型の設計に適したブレード翼型設計方法を提供することである。 An object of the present invention can be suitably designed airfoil of helicopter rotor blades, is to provide a blade airfoil design how suitable for airfoil design helicopter rotor blades.

本発明は、翼型を定義するパラメータの情報を入力するための入力手段と、翼型の評価および設計のための演算を実行する演算手段とを備える設計装置において、翼型を表すパラメータを設計変数とし、ロータブレードの翼型に要求される性能を表す複数の目的関数に関して設計変数を評価しながら最適化してパレート解を求める多目的最適化アルゴリズムによってヘリコプタのロータブレードの翼型を設計する方法であって、
入力手段によって入力された翼型を定義するパラメータの初期値を表す情報を用いて、演算手段が、翼厚、キャンバ、翼弦長および前縁半径を含む翼型パラメータを設定する初期設定ステップと、
前記初期設定ステップの後に、演算手段が、設定された翼型パラメータによって翼型を定義する翼型定義ステップと、
前記翼型定義ステップの後に、演算手段が、定義された翼型に対して、複数の目的関数に関して静的解析によって評価を行う評価解析ステップと、
前記評価解析ステップの後に、演算手段が、評価解析ステップにおける翼型の評価結果に基づいてパレート解を求め、パレート解が成熟しているか否かを判定する判定ステップとを含み、
前記複数の目的関数は、低速性能および中速性能を含み、
前記評価解析ステップにおいて、演算手段は、予め定める低速域における所定の値をロータブレードの対気速度として、零揚力迎角から迎角を徐々に増加させることにより抵抗係数が0.03となる迎角での揚力係数を算出し、算出された揚力係数を用いて低速性能を評価し、さらに、予め定める中速域における所定の値をロータブレードの対気速度として、零揚力迎角から迎角を徐々に増加させることにより抵抗係数が0.03となる迎角での揚力係数を算出し、算出された揚力係数を用いて中速性能を評価することを特徴とする設計装置におけるブレード翼型設計方法である。
The present invention is to design a parameter representing an airfoil in a design apparatus comprising input means for inputting information on parameters defining the airfoil and arithmetic means for executing operations for airfoil evaluation and design. A method of designing a helicopter rotor blade airfoil using a multi-objective optimization algorithm that obtains a Pareto solution by evaluating design variables for multiple objective functions that represent the performance required for the rotor blade airfoil as variables. There,
An initial setting step in which the calculation means sets airfoil parameters including a blade thickness, a camber, a chord length, and a leading edge radius, using information representing initial values of parameters defining the airfoil input by the input means ; ,
After the initial setting step, the calculation means defines an airfoil according to the set airfoil parameters, and an airfoil definition step,
After the airfoil definition step, an evaluation analysis step in which the computing means evaluates the defined airfoil by a static analysis with respect to a plurality of objective functions;
After the evaluation and analysis step, calculating means obtains a Pareto solution based on the evaluation result of the airfoil in the evaluation analysis step, seen including a determination step of determining whether or not Pareto solutions is mature,
The plurality of objective functions includes low speed performance and medium speed performance,
In the evaluation analysis step, the calculation means uses a predetermined value in a predetermined low speed range as an airspeed of the rotor blade, and gradually increases the angle of attack from the zero lift angle of attack, thereby increasing the resistance coefficient to 0.03. Calculate the lift coefficient at the angle, evaluate the low-speed performance using the calculated lift coefficient, and further use the predetermined value in the predetermined medium speed range as the airspeed of the rotor blade, from the zero lift angle of attack to the angle of attack The blade airfoil in a design apparatus is characterized in that a lift coefficient at an angle of attack with a resistance coefficient of 0.03 is calculated by gradually increasing the lift coefficient, and medium speed performance is evaluated using the calculated lift coefficient It is a design method.

た本発明は、前記複数の目的関数は、高速性能をさらに含み、
前記評価解析ステップにおいて、演算手段は、迎角を零揚力迎角に固定し、予め定める値からマッハ数を徐々に変化させることにより抵抗係数が0.03となるマッハ数を算出するとともに、マッハ数を徐々に変化させることによって、予め定めるマッハ数でのピッチングモーメント係数からのピッチングモーメント係数の変動量の絶対値が0.02となるマッハ数を算出し、算出された2つのマッハ数のうちの小さい方によって表されるマッハ数限界を用いて高速性能を評価することを特徴とする。
Or the present invention, the plurality of objective function further comprises a high-speed performance,
In the evaluation analysis step, the calculation means fixes the angle of attack to a zero lift angle of attack, calculates the Mach number at which the resistance coefficient is 0.03 by gradually changing the Mach number from a predetermined value, and calculates the Mach number. By gradually changing the number, a Mach number at which the absolute value of the variation amount of the pitching moment coefficient from the pitching moment coefficient at a predetermined Mach number becomes 0.02 is calculated. Of the two calculated Mach numbers The high-speed performance is evaluated using the Mach number limit expressed by the smaller of the two.

た本発明は、前記多目的最適化アルゴリズムは、多目的遺伝的アルゴリズムであることを特徴とする。 Or the present invention, the multi-objective optimization algorithm, characterized in that it is a versatile genetic algorithm.

さらに本発明は、静的解析で設計変数を評価して求められるパレート解について、演算手段が、動的解析によって評価するステップをさらに含むことを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the computing means further includes a step of evaluating by dynamic analysis the Pareto solution obtained by evaluating the design variable by static analysis.

本発明によれば、ロータブレードの翼型に要求される複数の性能が、目的関数としてそれぞれ表され、これら複数の目的関数で評価しながら翼型の最適パレート解が求められる。これによって複数の性能に関して評価された翼型がいわば自動的に設計され、ヘリコプタのロータブレードに適した翼型を設計することができる。しかもパレート解として得られる複数の翼型の中には、ロータブレードの翼根付近向きの翼型から翼端付近向きの翼型まで、ロータブレードの部位毎に適した複数の翼型が含まれている。したがってロータブレードの翼根から翼端まで、部位毎に適した複数の翼型を、一度の設計演算によって設計することができ、設計効率を高くし、短時間かつ低コストで翼型を設計することができる。   According to the present invention, a plurality of performances required for the blade shape of the rotor blade are represented as objective functions, respectively, and an optimum Pareto solution of the blade shape is obtained while evaluating with the plurality of objective functions. As a result, the airfoils evaluated with respect to a plurality of performances are automatically designed, and the airfoils suitable for the helicopter rotor blade can be designed. In addition, among the multiple airfoils obtained as Pareto solutions, there are multiple airfoils suitable for each part of the rotor blade, from the airfoil facing the root of the rotor blade to the airfoil facing the tip of the blade. ing. Therefore, multiple blade types suitable for each part from the blade root to the blade tip of the rotor blade can be designed by a single design calculation, design efficiency is improved, and the blade shape is designed in a short time and at low cost. be able to.

また本発明によれば、目的関数に、低速性能、中速性能および高速性能が含まれ、これらの各性能が評価された翼型が設計される。これによってヘリコプタのロータブレードの翼型として、好適な翼型を設計することができる。
また本発明によれば、多目的最適化アルゴリズムとして、多目的遺伝的アルゴリズムが用いられる。多目的遺伝的アルゴリズムは、複数の目的関数に関して評価しながら最適なパレート解を求めるために、好適に用いることができるアルゴリズムである。したがってヘリコプタのロータブレードに適した翼型を、好適に設計することができる。
According to the present invention, the objective function, slow performance, include medium speed performance and high-speed performance, airfoil each of these performance was evaluated is designed. As a result, a suitable airfoil can be designed as the airfoil of the helicopter rotor blade.
According to the present invention, a multipurpose genetic algorithm is used as the multipurpose optimization algorithm. The multi-objective genetic algorithm is an algorithm that can be suitably used to obtain an optimal Pareto solution while evaluating a plurality of objective functions. Therefore, an airfoil suitable for a helicopter rotor blade can be suitably designed.

また本発明によれば、静的解析と、動的解析との両方の解析によって評価された好適な翼型を設計することができる。   Further, according to the present invention, it is possible to design a suitable airfoil evaluated by both static analysis and dynamic analysis.

図1は、本発明の実施の一形態のブレード翼型設計方法(以下、単に「設計方法」という)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ロータブレード(以下、単に「ブレード」という)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の迎角分布を示すグラフである。ヘリコプタ10には、複数枚の翼であるブレード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 (hereinafter simply referred to as “design method”) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a design apparatus 20 that executes the design method of FIG. FIG. 3 is a plan view showing the airspeed distribution of the rotor blade (hereinafter simply referred to as “blade”) 11 during the forward flight of the helicopter 10. FIG. 4 is a graph showing the angle of attack distribution of the blade 3. The helicopter 10 is provided with a plurality of blades 11 which are blades, but only one blade 11 is virtually shown in FIG.

以下の説明において用いる変数のうち、代表的なものは、次のようなものである。
ad:ヘリコプタの前進速度
:ブレードが回転しているときの対気速度
α:迎角
α:零揚力迎角=揚力が0となる迎角
φ:アジマス角=後方の角度位置を0度とし、回転方向Aを正として表すブレード11の角度位置
ω:ブレード(ロータ)の回転角速度
q:動圧=0.5×空気密度×対気速度
:抵抗係数=抵抗/(動圧×基準面積)
:揚力係数=揚力/(動圧×基準面積)
L300:抵抗係数が0.03に達する迎角での揚力係数;以下、「指標揚力係数」という。
LMAX:最大揚力係数
Lbuff:空気力が振動(Buffet;バフェット)を始める迎角での揚力係数
:ピッチングモーメント係数=ピッチングモーメント/(動圧×基準面積×基準長さ)
m0:零揚力迎角でのピッチングモーメント係数;以下、「零揚力モーメント係数」という。
mmin:動的解析中での一周期中の最小ピッチングモーメント係数;以下、「最小モーメント係数」いう。
ΔC:零揚力モーメント係数Cm0からのピッチングモーメント変動分
M:マッハ数=対気速度/音速
lim:マッハ数限界
DD:抵抗発散マッハ数
Of the variables used in the following description, typical ones are as follows.
V ad : helicopter forward speed V T : airspeed when the blade is rotating α: angle of attack α 0 : zero lift angle of attack = angle of attack where lift is 0 φ: azimuth angle = rear angle position The angular position of the blade 11 representing 0 degrees and the rotational direction A as positive ω 1 : rotational angular velocity of the blade (rotor) q: dynamic pressure = 0.5 × air density × airspeed 2
C D : Resistance coefficient = resistance / (dynamic pressure × reference area)
C L : lift coefficient = lift / (dynamic pressure x reference area)
C L300 : Lift coefficient at an angle of attack where the resistance coefficient reaches 0.03; hereinafter referred to as “index lift coefficient”.
C LMAX : Maximum lift coefficient C Lbuff : Lift coefficient at the angle of attack at which the aerodynamic force begins to oscillate (Buffet) C m : Pitching moment coefficient = pitching moment / (dynamic pressure x reference area x reference length)
C m0 : Pitching moment coefficient at zero lift angle of attack; hereinafter referred to as “zero lift moment coefficient”.
C mmin : minimum pitching moment coefficient in one cycle during dynamic analysis; hereinafter referred to as “minimum moment coefficient”.
ΔC m : Pitching moment fluctuation from zero lift moment coefficient C m0 M: Mach number = airspeed / sonic velocity M lim : Mach number limit M DD : Resistance divergence Mach number

ここに、「基準面積」は、2次元翼型の場合、その弦長をもち単位長さのスパン長をもつ翼の面積を基準面積とする。   Here, in the case of a two-dimensional airfoil, the “reference area” refers to the area of a wing having a chord length and a span length of a unit length.

「基準長さ」は、2次元翼型の場合、その弦長を用いる。
「マッハ数限界」は、流れのマッハ数が高まると、翼近辺に衝撃波が発生することにより抵抗の急増やモーメントの急変を生じ、それ以上のマッハ数では運用できない限界が存在する。これをマッハ数限界と呼ぶ。
In the case of a two-dimensional airfoil, the “reference length” uses the chord length.
“Mach number limit” means that when the Mach number of the flow increases, shock waves are generated in the vicinity of the wing, causing a sudden increase in resistance and a sudden change in moment, and there is a limit that cannot be operated at a higher Mach number. This is called the Mach number limit.

「抵抗発散マッハ数」は、マッハ数限界の算定方法のひとつで、抵抗が急増するマッハ数を示す。いくつかの定義法があるが、マッハ数M=0.6の抵抗係数から0.002だけ増えた点を用いる。   “Resistance divergence Mach number” is one of the calculation methods of the Mach number limit, and indicates the Mach number at which the resistance rapidly increases. Although there are several definition methods, a point increased by 0.002 from the resistance coefficient of Mach number M = 0.6 is used.

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(Computational Fluid Dynamics;略称CFD)に基づく解析(以下「CFD解析」という)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、最適な翼型を設計する方法である。自動最適設計法で用いられる最適化エンジンなどとも呼ばれる最適化アルゴリズムには、たとえば単目的最適化アルゴリズムと、多目的最適化アルゴリズムがある。   For example, the airfoil of the blade 11 of the helicopter 10, which is a high-performance helicopter, uses an analysis based on computational fluid dynamics (abbreviated as CFD) (hereinafter referred to as “CFD analysis”) and is automatically called a numerical optimization method. Designed by optimal design method. This automatic optimum design method is a method of designing an optimum airfoil by repeating evaluation of the performance of the airfoil, for example, several tens to thousands of times while correcting parameters defining the airfoil. For example, there are a single-objective optimization algorithm and a multi-objective optimization algorithm as optimization algorithms called optimization engines used in the automatic optimization design method.

単目的最適化アルゴリズムでは、複数の目的関数が存在する場合、各目的関数に重み付けをして足し合わせるなどして、見かけ上、単目的関数化している。このような単目的最適化アルゴリズムでは、各目的関数の重みの付け方によって得られる最適解が異なり、精度が低くなってしまうという問題がある。これに対して多目的最適化アルゴリズムでは、各目的関数について個別に評価し、少なくとも1つの目的関数に関して、他のよりも優れている点がある設計変数が、パレート解となる。このような多目的最適化アルゴリズムで得られたパレート解の中には、目的関数の重要度に応じた複数の設計変数が含まれており、精度の高い最適解が含まれている。   In the single-objective optimization algorithm, when there are a plurality of objective functions, the objective functions are apparently converted into single-objective functions by weighting and adding the objective functions. In such a single-objective optimization algorithm, there is a problem that the optimal solution obtained differs depending on the weighting method of each objective function, and the accuracy is lowered. On the other hand, in the multi-objective optimization algorithm, each objective function is evaluated individually, and a design variable having a point superior to the others with respect to at least one objective function is a Pareto solution. A Pareto solution obtained by such a multi-objective optimization algorithm includes a plurality of design variables according to the importance of the objective function, and includes an optimal solution with high accuracy.

本発明に従う設計方法では、翼型を表すパラメータを設計変数とし、ブレード11の翼型に要求される性能を表す複数の目的関数に関して、多目的最適化アルゴリズムによって、設計変数を評価しながら最適化してパレート解を求める。このパレート解として得られる翼型の中には、ヘリコプタの飛行条件、ブレード11の部位などによって異なる性能の重要度に応じた複数の翼型が含まれている。   In the design method according to the present invention, a parameter representing the airfoil is used as a design variable, and a plurality of objective functions representing the performance required for the airfoil of the blade 11 are optimized while evaluating the design variable by a multi-objective optimization algorithm. Find the Pareto solution. The airfoil obtained as the Pareto solution includes a plurality of airfoils in accordance with the importance of different performance depending on the flight conditions of the helicopter, the part of the blade 11 and the like.

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への回転を伴いながら、ヘリコプタ10が前進する速度である前進速度Vad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している。無風状態であると仮定する場合、ブレード11のある位置の対気速度(=大気に対する相対速度)Vは、回転速度Rωと前進速度Vadのブレードに対して垂直な方向成分(回転方向の成分)Vadsinφとの和(=Rω+Vadsinφ)で表される。Rは、回転中心からの距離である。ホバリング状態では、飛行速度Vadは0であり、対気速度Vは、ブレード11の角度位置に関わらず、回転速度Rωなる。 The blade 11 of the helicopter 10 moves forward in the flight direction B at a forward speed V ad which is a speed at which the helicopter 10 moves forward, for example, while rotating in the rotational direction A counterclockwise when viewed from above, and the pitch angle It is a complex movement that changes the angle of attack α, also called as. When it is assumed that there is no wind, the air speed (= relative speed to the atmosphere) V T at a certain position of the blade 11 is a directional component (rotational direction) perpendicular to the blade of the rotational speed Rω 1 and the forward speed V ad. Component) and V ad sinφ (= Rω 1 + V ad sinφ). R is the distance from the center of rotation. In the hovering state, the flight speed V ad is 0, and the air speed V T is the rotational speed Rω 1 regardless of the angular position of the blade 11.

対気速度V 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V はM=0.2となり、翼端13の対気速度V はM=0.6である。また飛行速度V ad がM=0.2である場合、ブレード11の翼端13の対気速度V は、1回転中に、前進側のアジマス角φが90°の角度位置でM=0.8となり、後退側のアジマス角φ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V 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V の意味で、単にマッハ数Mだけを示す場合がある。 An example of the air speed V T is indicated by the Mach number M. In the hovering state, for example, the air speed V T of the blade root 12 is M = 0.2, and the air speed V T of the blade tip 13 is M. = 0.6. When the flight speed V ad is M = 0.2, the airspeed V T of the blade tip 13 of the blade 11 is M = 0 at an angular position where the forward azimuth angle φ is 90 ° during one rotation. .8, and M = 0.4 when the azimuth angle φ on the reverse side is 270 °. In this embodiment, by using the evaluation index that can be used over the entire such extensive airspeed V T, and evaluate the performance of the airfoil, to design the airfoil. In the present embodiment, M = 0.4 or less is a low speed region, M = 0.7 or more is a high speed region, and a middle speed region is between the low speed region and the high speed region. Hereinafter, in terms of airspeed V T, sometimes simply show only Mach number M.

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、たとえばスーパーコンピュータなどのコンピュータ呼ばれる計算装置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 design apparatus 20 shown in FIG. 2 includes an input unit 21, a storage unit 22, an external recording unit 23, a calculation unit 24, and an output unit 25. The design device 20 is realized using a computer called a computer such as a super computer. The input means 21 is a means for inputting information including parameter information defining the airfoil and command information for instructing the evaluation and design of the airfoil, such as a keyboard.

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 output unit 25 is a unit that outputs a calculation result by the calculation unit 24, and is, for example, a display device. The calculation result by the calculation unit 24 may be output by being recorded on a recording medium by the external recording unit 23. Therefore, a result output means for outputting the calculation result is configured including the output means 25 and the external recording means 23.

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。本実施の形態では、この設計方法に、静的CFD解析を用いた多目的遺伝的アルゴリズム(Multiple-Objective Genetic Algorithm;略称MOGA)を利用する。以下、1つの翼型を、個体という場合がある。   Specifically, the design method is executed by the design device 20, specifically, by the calculation unit 24. In this embodiment, a multi-objective genetic algorithm (abbreviated as MOGA) using static CFD analysis is used for this design method. Hereinafter, one airfoil may be referred to as an individual.

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の初期設定工程では、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。パラメータは、翼形を表す値であり、たとえば翼厚、キャンバ、翼弦長、前縁半径などを含む。たとえば乱数アルゴリズム、乱数表などの乱数を用いて、その乱数をパラメータとして設定する。本実施の形態では、60個体分のパラメータを設定する。   When the information indicating the initial value of the parameter defining the airfoil is input by the input unit 21 and the command information for instructing the design of the airfoil is given to the calculation unit 24, as shown in FIG. The design is started and the process proceeds to step s1. In the initial setting step of step s1, the calculating means 24 initializes parameters that define the blade shape of the blade 11. The parameter is a value representing an airfoil, and includes, for example, a blade thickness, a camber, a chord length, a leading edge radius, and the like. For example, a random number such as a random number algorithm or a random number table is used, and the random number is set as a parameter. In this embodiment, parameters for 60 individuals are set.

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に進む。ステップs2の翼型定義工程では、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。本実施の形態では60個体の翼型を定義する。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。   When the parameter initialization in step s1 ends, the process proceeds to step s2. In the airfoil definition step of step s2, the calculation means 24 defines the airfoil according to the set parameters. In this embodiment, 60 airfoils are defined. When the definition of the airfoil in step s2 ends, the process proceeds to step s3.

ステップs3のモーメント調整工程では、演算手段24は、定義される翼型に対して、キャンバを修正し、零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|が小さくなるように、調整する。ピッチングモーメントは、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。 In the moment adjustment step of step s3, the computing means 24 corrects the camber for the defined airfoil, and adjusts so that the absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 becomes small. The pitching 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。零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|を小さくすることによって、ブレード11のねじり変形を防止することができる。ステップs3での零揚力モーメント係数Cm0の調整が終了すると、ステップs4に進む。 The blade 11 of the helicopter 10 is an elongated wing and has low torsional rigidity. Therefore, when a large torsional moment due to aerodynamic force is applied, torsional deformation occurs, and the expected aerodynamic characteristics may not be obtained. By reducing the absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 , torsional deformation of the blade 11 can be prevented. When the adjustment of the zero lift moment coefficient C m0 in step s3 is completed, the process proceeds to step s4.

ステップs4の解析評価工程では、演算手段24は、定義される翼型に対して、翼の性能を表す複数の目的関数に関して、静的CFD解析に基づいて評価する。複数の目的関数には、低速性能、中速性能、高速性能、最大翼およびピッチングモーメント性能が含まれる。これ以外の性能に関する目的関数に関して評価する構成であってもよいが、本実施の形態では、この5つの目的関数に関して評価する。
表1は、目的関数を示す表である。
In the analysis evaluation process of step s4, the calculation means 24 evaluates a plurality of objective functions representing the performance of the blade with respect to the defined airfoil based on the static CFD analysis. The multiple objective functions include low speed performance, medium speed performance, high speed performance, maximum blade thickness and pitching moment performance. Although the configuration may be such that evaluation is performed with respect to objective functions related to performance other than this, in the present embodiment, evaluation is performed with respect to these five objective functions.
Table 1 shows the objective function.

Figure 0004825099
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低速性能は、低速性能限界を表し、ブレード11の対気速度V がM=0.4の場合の指標揚力係数CL300で表す。この低速性能を、以下、「低速指標揚力係数」といい、「CL300@M=0.4」と表記する。低速指標揚力係数CL300@M=0.4が大きくなるほど、低速性能が高いと評価する。 The low speed performance represents a low speed performance limit, and is represented by an index lift coefficient C L300 when the airspeed V T of the blade 11 is M = 0.4. This low-speed performance is hereinafter referred to as “low-speed index lift coefficient” and expressed as “C L300 @ M = 0.4”. The lower the low speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.4, the higher the low speed performance is evaluated.

中速性能は、中速性能限界、翼端13付近のホバリング性能を表し、ブレード11の対気速度V がM=0.6の場合の指標揚力係数CL300で表す。この中速性能を、以下、「中速指標揚力係数」といい、「CL300@M=0.6」と記す。中速指標揚力係数CL300@M=0.6が大きくなるほど、中速性能が高いと評価する。 Medium speed performance, medium speed performance limit, represents the hovering performance near the blade tip 13, airspeed V T of the blade 11 is represented by an index lift coefficient C L300 in the case of M = 0.6. This medium speed performance is hereinafter referred to as “medium speed index lift coefficient” and is described as “C L300 @ M = 0.6”. It is evaluated that the medium speed performance is higher as the medium speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.6 increases.

高速性能は、高速限界を表し、抵抗係数Cが0.03を超えるマッハ数と、M=0.6の場合のモーメント係数Cの値から、モーメント係数Cが0.02変化(上昇)するマッハ数のうち、小さい方を表す。この高速性能を、以下、「マッハ数限界」といい、「Mlim@α」と記す。マッハ数限界Mlim@αが大きくなるほど、高速性能が高いと評価する。 Fast performance represents a fast limit, and the Mach number of drag coefficient C D is greater than 0.03, the value of the moment coefficient C m in the case of M = 0.6, the moment coefficient C m is 0.02 change (increase ) Represents the smaller Mach number. This high-speed performance is hereinafter referred to as “Mach number limit” and described as “M lim @ α 0 ”. It is evaluated that the higher the Mach number limit M lim @ α 0 is, the higher the high speed performance is.

最大翼は、翼の厚み寸法の最大値を表し、「Tmax」と記す。最大翼は、大きくなるほど、最大翼に関する性能が高いと評価し、15%コード長以上は、十分に大きいとみなす。 The maximum blade thickness represents the maximum value of the thickness dimension of the blade, and is described as “Tmax”. The larger the maximum blade thickness is, the higher the performance related to the maximum blade thickness is evaluated, and 15% cord length or more is considered sufficiently large.

ピッチングモーメント性能は、ブレード11の対気速度V が、M=0.6の場合の零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|を表す。このピッチングモーメント性能を、以下、「規定モーメント係数」といい、「|Cm0|@M=0.6」と記す。規定モーメント係数|Cm0|@M=0.6が小さくなるほど、ピッチングモーメント性能が高いと評価し、0.01以下は、十分小さいとみなす。 The pitching moment performance represents the absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 when the airspeed V T of the blade 11 is M = 0.6. This pitching moment performance is hereinafter referred to as “specified moment coefficient” and is described as “| C m0 |@M=0.6”. It is evaluated that the pitching moment performance is higher as the specified moment coefficient | C m0 |@M=0.6 becomes smaller, and 0.01 or less is considered to be sufficiently small.

目的関数としてピッチングモーメント性能があるにも拘わらず、ステップs3で|Cm0|を調整するのは、ステップs3の段階でのモーメント調整は簡易的(非粘性、非圧縮性)な手法で行っており、目的関数評価時のCFD解析による値とは一般に異なり、ステップs3では小モーメントであったのにCFD解析ではそうでない場合があるため、目的関数評価の段階でもモーメントの評価を加えている。 Regardless of pitching moment performance as an objective function, | C m0 | is adjusted in step s3. The moment adjustment in step s3 is performed by a simple (non-viscous, incompressible) method. In general, the value is different from the value obtained by the CFD analysis at the time of objective function evaluation. In step s3, there is a case where the moment is small, but there is a case where it is not so in the CFD analysis.

ステップs4での評価が終了すると、ステップs5に進む。ステップs5の判定工程では、演算手段24は、ステップs4の解析評価工程における翼型の評価結果に基づいて、パレート解を求め、そのパレート解が成熟しているか否かを判定する。本実施の形態では、最適化アルゴリズムとして、多目的遺伝的アルゴリズムを用いているので、単一の最適解に収束するのではなく、複数の非劣解の集合としてのパレート解が成熟することによって、最適パレート解となる。ステップs5では、この最適パレート解が得られているか否かを判定している。このステップs5で、パレート解が成熟していないと判定すると、ステップs6に進み、パレート解が成熟していると判定すると、ステップs7に進む。   When the evaluation in step s4 ends, the process proceeds to step s5. In the determination step of step s5, the calculation means 24 obtains a Pareto solution based on the evaluation result of the airfoil in the analysis evaluation step of step s4, and determines whether or not the Pareto solution is mature. In this embodiment, since a multi-objective genetic algorithm is used as an optimization algorithm, instead of converging to a single optimal solution, a Pareto solution as a set of a plurality of non-inferior solutions matures. The optimal Pareto solution. In step s5, it is determined whether or not this optimal Pareto solution is obtained. If it is determined in step s5 that the Pareto solution is not mature, the process proceeds to step s6. If it is determined that the Pareto solution is mature, the process proceeds to step s7.

ステップs6のパラメータ修正工程では、演算手段24は、たとえば選択、交配、突然変などによってパラメータを修正、変更し、次世代の個体を生成し、ステップs2に進む。このようにステップs5の判定工程で成熟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の判定工程までを繰返す。このように2回目以降のステップs2からステップs5までを繰返す工程は、いわば繰返し工程である。 The parameter modification process in step s6, the arithmetic unit 24, for example selected, mating, modify parameters such as by mutation, change, and generate the next generation of individuals, the process proceeds to step s2. Thus, when it determines with not having matured in the determination process of step s5, the said parameter is corrected and set again, and the process from the said airfoil definition process of step s2 to the determination process of step s5 is repeated. Thus, the process of repeating the second and subsequent steps from step s2 to step s5 is a so-called 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、静的CFD解析を用いたMOGAによる翼型設計の工程が構成され、ステップs5でパレート解が成熟していると判定する場合、そのパレート解を、静的CFD解析を用いたMOGAによる翼型設計の工程における解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。   When the airfoil design process by MOGA using static CFD analysis is configured including the processes from step s1 to step s6, and it is determined in step s5 that the Pareto solution is mature, the Pareto The solution is output as a solution in the process of airfoil design by MOGA using static CFD analysis. Such processes of steps s1 to s6 are procedures of a so-called automatic optimum design method.

ステップs7では、演算手段24は、ステップs5で、パレート解が成熟していると判定されて得られる最適パレート解の翼型に対して、動的CFD解析を行い、その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 performs dynamic CFD analysis on the airfoil of the optimal Pareto solution obtained by determining that the Pareto solution is mature in step s5, and the dynamic performance of the airfoil is determined. 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 input unit 21 together with the initial value of the parameter, for example, before starting the design operation. If it is determined in step s8 that the dynamic performance is good, the process proceeds to step s9. If it is determined that the dynamic performance is not good, the process proceeds to step s1.

ステップs9では、演算手段24は、最適パレート解の翼型を用いて、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 calculation means 24 defines a three-dimensional rotor using the airfoil of the optimal Pareto solution, 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.

以下、本実施の形態について、さらに詳しく説明する。本発明に従う設計方法は、たとえば速度300km/hでの水平飛行時に性能低下を生じないという数値目標を満足するブレード翼型を得ることを可能にすること、またたとえば、最高速度は250km/hでよいが、ホバリング能力をできる限り高めるというような、新しい設計ターゲットに対応する、自動設計を可能にすることも、目的としている。この設計方法は、ブレード11に限らず、様々な航空機および空力機械の翼型設計にも流用でき、各要素についてのノウハウを蓄積することで、新たな設計目標に対しても、直ちに対応できる柔軟性を翼型の最適化設計が可能である。   Hereinafter, this embodiment will be described in more detail. The design method according to the present invention makes it possible to obtain a blade airfoil that satisfies the numerical goal of no performance degradation during level flight, for example at a speed of 300 km / h, and for example a maximum speed of 250 km / h Although it is good, the goal is to enable automatic design to meet new design targets, such as increasing the hovering capability as much as possible. This design method can be used not only for blades 11 but also for airfoil designs of various aircraft and aerodynamic machines. By accumulating know-how on each element, it is flexible enough to respond immediately to new design goals. It is possible to optimize the design of the airfoil.

CFD解析について、以下に説明する。速度変動を伴う動的空力現象のブレード設計への利用が本発明の柱となる。動的空力現象を、実験で再現するのは不可能に近い。そこで、CFD解析を用いて動的空力現象をシミュレートする。動的な物理現象を解析するために、CFD解析においても動的な非定常解析を行う。動的解析のためには、約20万ステップ、現在の最速のワークステーションと呼ばれる計算機を用いても、約1日を要するなど、演算に膨大な時間を要する。最適化設計では、数十回から数千回の繰返しを要するので、動的解析をそのまま最適化設計に用いるのは困難である。そこで前述のような目的関数に関して解析、評価することによって、静的解析だけを行っても、動的に十分な性能を有する設計が可能である。   The CFD analysis will be described below. The use of dynamic aerodynamic phenomena with velocity fluctuations in blade design is a pillar of the present invention. It is almost impossible to reproduce the dynamic aerodynamic phenomenon by experiment. Therefore, a dynamic aerodynamic phenomenon is simulated using CFD analysis. In order to analyze dynamic physical phenomena, dynamic unsteady analysis is also performed in CFD analysis. For dynamic analysis, even if a computer called the current fastest workstation is used with about 200,000 steps, it takes about 1 day, and it takes a long time for calculation. Since optimization design requires tens to thousands of iterations, it is difficult to use dynamic analysis as it is for optimization design. Thus, by analyzing and evaluating the objective function as described above, it is possible to dynamically design with sufficient performance even if only static analysis is performed.

CFD解析の基本について、以下に説明する。CFD解析では、2次元RANS(
Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程式に基づくCFD解析方法で翼型を解析する。基礎方程式は次式(1)で示される。
+E+F=R+S+H …(1)
The basics of CFD analysis will be described below. In CFD analysis, two-dimensional RANS (
The airfoil is analyzed by the CFD analysis method based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes) equation. The basic equation is expressed by the following equation (1).
Qt + Ex + Fy = Rx + Sy + H (1)

ここで、Q,E,F,R,Sは、各々、保存変数、x,y方向の非粘性流、x,y方向の粘性流束、Hは、翼型に固定された座標系が並進・回転することによる慣性力項を示す各々4変数のベクトル量である。また、外部境界条件も翼の運動に伴って非定常に変化させる。 Here, Q t , E x , F y , R x , and S y are conserved variables, inviscid flux in the x and y directions, viscous flux in the x and y directions, and H is fixed to the airfoil, respectively. This is a vector quantity of four variables each indicating an inertial force term due to translation and rotation of the coordinate system. The external boundary condition is also changed unsteady with the movement of the wing.

数値解析方法としては次のようなものが用いられる。まず1つ目として、空間離散化には、MUSCL(Monotone Upstream-biased Scheme for Conservation Laws;空間2次精度)及びSHUS(Simple High Resolution Upwind Scheme)を用いる。2つ目として、時間積分には、MFGS(Matrix Free Gauss-Seidel)陰解法を用いる。粘性項には、二次精度中心差分を用いる。   The following is used as a numerical analysis method. First, MUSCL (Monotone Upstream-biased Scheme for Conservation Laws) and SHUS (Simple High Resolution Upwind Scheme) are used for spatial discretization. Second, MFGS (Matrix Free Gauss-Seidel) implicit method is used for time integration. A secondary accuracy center difference is used for the viscosity term.

ブレード翼型の用いられる高レイノルズ数の乱流場を解析するには乱流モデルが必要であるが、ここではRANSで取り扱い、RANSの乱流モデルとしてはSpalart-Allmarasモデルを用いる。層流から乱流への遷移条件は全場乱流とする。時間積分は、一次精度
Euler陰解法とするが、MFGS陰解法に伴う線形化およびヤコビアン簡略化を補うため陰解法の非線形性の補正のための2回の内部反復を行う。また各々の内部反復のなかで、
Gauss-Seidel反復を20回実施する。
A turbulent flow model is required to analyze the high Reynolds number turbulent flow field used by the blade airfoil, but here it is handled by RANS, and the Spalart-Allmaras model is used as the RANS turbulent model. The transition condition from laminar to turbulent flow is all-field turbulent. Time integration is first order accuracy
The Euler implicit method is used, but two internal iterations are performed to correct the nonlinearity of the implicit method in order to compensate for the linearization and Jacobian simplification associated with the MFGS implicit method. In each internal iteration,
Perform 20 Gauss-Seidel iterations.

図5は、解析に用いる格子30を示す図である。CFD解析のために翼型のまわりに設定する格子は、図に示すような翼型O型構造格子であり、格子点数は周方向に263点、半径方向に60点であり、半径方向の最小格子間隔は1×10−5×(翼弦長)である。静的解析の場合は、式(1)においてH=0とし、定常解への収束加速法として一般的な、局所時間法を用いて計算時間を短縮する。 FIG. 5 is a diagram showing a lattice 30 used for analysis. The lattice set around the airfoil for the CFD analysis is an airfoil O-type structural lattice as shown in FIG. 5 , and the number of lattice points is 263 in the circumferential direction and 60 in the radial direction. The minimum lattice spacing is 1 × 10 −5 × (chord length). In the case of the static analysis, H = 0 is set in Equation (1), and the calculation time is shortened by using a local time method which is a general acceleration method for convergence to a steady solution.

ブレード11の運動の模擬について、以下に説明する。前述のように回転するブレード11上のある一つの翼断面に着目する。その翼断面の気速度Vは、前述のように、次式(2)で表すことができる。
=Rω+Vadsinφ …(2)
The simulation of the movement of the blade 11 will be described below. Attention is paid to one blade section on the rotating blade 11 as described above. Airspeed V T of the blade section, as described above, can be expressed by the following equation (2).
V T = Rω 1 + V ad sin φ (2)

ここで時刻をtとすると、φは次式(3)で表される。
φ=ωt …(3)
式(2)、式(3)で表される系を、第1系とする。
Here, when time is t, φ is expressed by the following equation (3).
φ = ω 1 t (3)
The system represented by Formula (2) and Formula (3) is defined as the first system.

第1系とは別に、一様流中で前進後退する2次元翼を考え、これを第2系とする。前進後退の振幅をA、一様流の速度をVunif、前進後退の角速度をωとすると、気流に対する相対速度Vrelは、次式(4)で表される。
rel=Vunif+Aωsinωt …(4)
Separately from the first system, a two-dimensional wing that moves forward and backward in a uniform flow is considered, and this is the second system. When the forward / backward amplitude is A, the uniform flow velocity is V unif , and the forward / backward angular velocity is ω 2 , the relative velocity V rel to the airflow is expressed by the following equation (4).
V rel = V unif + Aω 2 sinω 2 t (4)

ここで、第1系の音速、翼弦長、動粘性係数を、a,C,νとし、第2系の音速、翼弦長、動粘性係数を、a,C,νとし、式(5)の平均周速マッハ数M、式(6)の前進比(Advance Ratio)m、式(7)の無次元角速度(Reduced Frequency)k、式(8)のレイノルズ数Reの4つの無次元パラメータを一致させることによって、第2系によって第1系を模擬する。ただし無次元角速度の基準速度としては、平均となる周速度Rωを用いている。 Here, the sound speed, chord length, and kinematic viscosity coefficient of the first system are a 1 , C 1 , ν 1, and the sound speed, chord length, and kinematic viscosity coefficient of the second system are a 2 , C 2 , ν 2 , the average peripheral speed Mach number M R in equation (5), the advance ratio m in equation (6), the dimensionless angular velocity (Reduced Frequency) k in equation (7), and the Reynolds number in equation (8). by matching the four dimensionless parameters Re 2, to simulate the first system by the second system. However, the average peripheral speed Rω 1 is used as the reference speed of the dimensionless angular speed.

Figure 0004825099
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一様流中で2次元翼が迎角変動を伴いながら前後運動する第2系を風洞試験で実現する事は原理的には可能だが、後退側の動的失速が顕著になる高速時の条件を実現するのは、風洞試験全般において困難なレイノルズ数の一致を別にしても、現実には、かなり難しい。たとえば、代表的な中型のヘリコプタの速度250km/hでの飛行を模擬するには、翼弦長を0.33mとして、M=0.6の一様流中において振幅A=1.78m、周期T=0.16secで模型を前後に振動させる必要がある。詳細は省略するが、模型寸法に比例して振幅Aは減少するが、周期Tも短縮するので縮小模型を用いても模擬がやさしくなるわけではない。   Although it is possible in principle to realize a second system in which a two-dimensional blade moves back and forth with fluctuations in the angle of attack in a uniform flow, it is possible to achieve a high speed condition in which the dynamic stall on the reverse side becomes significant. In reality, it is quite difficult to achieve this, apart from the Reynolds number, which is difficult in general wind tunnel tests. For example, to simulate the flight of a typical medium-sized helicopter at a speed of 250 km / h, the chord length is 0.33 m, the amplitude A = 1.78 m, and the period in a uniform flow with M = 0.6. It is necessary to vibrate the model back and forth at T = 0.16 sec. Although details are omitted, the amplitude A decreases in proportion to the model size, but the period T is also shortened, so that the simulation is not easy even if the reduced model is used.

本実施の形態では、ブレード11の運動を2次元CFD解析で次のように模擬する。第1に、ロータ特性に重要なブレード11の翼端13近くの位置、たとえば95%の翼長方向位置の翼型に着目し、一周期中の迎角と対気速度のデータを取り出す。翼長方向位置は、回転中心を0とし、翼端13の端面を100とする百分率で表す、ブレード11の長手方向の位置である。   In the present embodiment, the movement of the blade 11 is simulated by two-dimensional CFD analysis as follows. First, paying attention to a position near the blade tip 13 of the blade 11 that is important for rotor characteristics, for example, a blade shape at a position in the blade length direction of 95%, data on the angle of attack and airspeed in one cycle are extracted. The blade length direction position is a position in the longitudinal direction of the blade 11 expressed as a percentage where the rotation center is 0 and the end surface of the blade tip 13 is 100.

第2に、25%のコード位置を中心に回転することでピッチ運動を模擬する。コード位置とは、前縁を0とし、後縁を100とする翼弦方向の百分率で表す位置である。第3に、回転中心を基準点として一様流で前後に往復運動させることで速度変動を模擬する。周速度が一様流速度に、前進後退の最大速度がヘリコプタの前進速度に対応する。   Second, the pitch motion is simulated by rotating around a 25% chord position. The chord position is a position expressed as a percentage in the chord direction where the leading edge is 0 and the trailing edge is 100. Third, speed fluctuation is simulated by reciprocating back and forth in a uniform flow with the rotation center as a reference point. The peripheral speed corresponds to the uniform flow speed, and the maximum forward / backward speed corresponds to the forward speed of the helicopter.

迎角変動について、以下に説明する。ヘリコプタ10のブレード11は、ロータの回転に同期してサイクリックピッチと呼ばれる迎角αを変化させる動作をしている。この動作は、スワッシュプレートとピッチリンクとによって駆動されているので、単純な正弦波で表される動作ではなく高周波数成分を含む。したがって、一般に一様流に対する迎角αは、式(9)で表される。   The angle of attack variation will be described below. The blade 11 of the helicopter 10 operates to change the angle of attack α called a cyclic pitch in synchronization with the rotation of the rotor. Since this operation is driven by the swash plate and the pitch link, it includes a high frequency component rather than a simple sine wave operation. Therefore, in general, the angle of attack α for the uniform flow is expressed by Expression (9).

Figure 0004825099
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本実施の形態では一次の近似として、式(10)のように近似する。
α=α−αsinωt …(10)
In the present embodiment, approximation as shown in Expression (10) is performed as a first-order approximation.
α = α 0 −α 1 sin ωt (10)

周速動圧基準と局所動圧基準の空力係数について、以下に説明する。ブレード11に働く空気力を表示するのには、式(11)〜式(14)で表される無次元係数を用いる。
揚力係数C=揚力/(基準面積×動圧) …(11)
抵抗係数C=抵抗/(基準面積×動圧) …(12)
ピッチングモーメント係数C=25%コード位置周りのモーメント
/(基準長×基準面積×動圧) …(13)
動圧=(密度×速度)/2 …(14)
The aerodynamic coefficients of the peripheral speed dynamic pressure reference and the local dynamic pressure reference will be described below. In order to display the aerodynamic force acting on the blade 11, a dimensionless coefficient expressed by the equations (11) to (14) is used.
Lift coefficient C L = lift / (reference area × dynamic pressure) (11)
Resistance coefficient C D = resistance / (reference area × dynamic pressure) (12)
Pitching moment coefficient C m = 25% Moment around cord position
/ (Reference length x reference area x dynamic pressure) (13)
Dynamic pressure = (density × speed 2 ) / 2 (14)

本実施の形態で扱う動的解析においては、アジマス角φによって対気速度Vが異なるので、動圧は1つではない。本実施の形態では、目的によって次の2つの基準動圧を使い分ける。 In the dynamic analysis handled in the present embodiment, the air pressure V T differs depending on the azimuth angle φ, so there is not one dynamic pressure. In the present embodiment, the following two reference dynamic pressures are selectively used depending on the purpose.

1つ目は、周速動圧基準の動圧である。周速動圧基準の動圧は、アジマス角φによらず、ロータの周速=動的解析の平均速度を用いた動圧で無次元化したものである。すべてのアジマス位置φで同じ動圧を用いるので、空力係数に定数をかけると、力およびモーメントの絶対値が求められる。たとえば、周速動圧基準のモーメントはブレードのねじり変形およびピッチリンクに対する荷重に直結する。   The first is the dynamic pressure based on the peripheral speed dynamic pressure. The dynamic pressure based on the peripheral speed dynamic pressure is non-dimensionalized by the dynamic pressure using the peripheral speed of the rotor = the average speed of the dynamic analysis regardless of the azimuth angle φ. Since the same dynamic pressure is used at all azimuth positions φ, the absolute values of the force and moment can be obtained by multiplying the aerodynamic coefficient by a constant. For example, the moment based on the peripheral speed dynamic pressure is directly connected to the torsional deformation of the blade and the load on the pitch link.

2つ目は、局所動圧基準の動圧である。局所動圧基準の動圧は、アジマス角φによって異なる、局所対気速度Vを用いた動圧で無次元化したものである。各マッハ数での静特性の空力係数は、局所対気速度を用いていることと等価であるから、翼型の性能限界等をみるには局所動圧基準が適当である。 The second is dynamic pressure based on local dynamic pressure. Dynamic local dynamic reference is dependent azimuth angle phi, is obtained by dimensionless by dynamic pressure using local airspeed V T. Since the aerodynamic coefficient of static characteristics at each Mach number is equivalent to using the local air speed, the local dynamic pressure standard is appropriate for checking the performance limit of the airfoil.

ブレード用翼型のための性能評価の方法と設計の目標について、以下に説明する。まず従来の性能評価の方法について、以下に説明する。ブレード11の翼型は、前進飛行中には、ロータが一周する間に、高速低迎角(前進側)から低速高迎角(後退側)までの気流にさらされる。動圧が大きく、ロータの大部分の揚力(また、その前方への成分が推進力となる)を発生する翼端13およびその付近(以下「チップ部」という)では、前進側で翼面上に超速流と衝撃波とが発生し、後退側で大迎角に伴う流れの剥離が発生するという、翼の限界状況が、短時間のうちに繰返される過酷な状況となる。   The performance evaluation method and design goals for blade airfoils are described below. First, a conventional performance evaluation method will be described below. During forward flight, the airfoil of the blade 11 is exposed to an airflow from a high speed low angle of attack (advanced side) to a low speed high angle of attack (retreated side) while the rotor makes one round. At the blade tip 13 where the dynamic pressure is large and most of the rotor lift (and the forward component becomes the propulsive force) and its vicinity (hereinafter referred to as “tip portion”), The critical condition of the blades, in which a super-velocity flow and a shock wave are generated, and separation of the flow accompanying a large angle of attack occurs on the receding side, is a severe situation that is repeated in a short time.

さらに、ブレード11は、極めて細長く、ピッチング(捻り上げ下げ)の方向の剛性はそれほど高いものではない。また、もしも、ブレード11自体が充分高い剛性を有していても、その翼根12およびその付近(以下「根本部」という)において、ピッチング方向の運動による荷重は、ピッチリンクのみによって支えられており、ピッチリンクの荷重制限がヘリコプタの性能限界となることもある。したがって、ブレード11にピッチング方向の空気力を与えるピッチングモーメント係数C、小さな値に保たれなければならない。そこで、従来、ブレード11の翼型の設計においては、次のような3つのポイントが考慮されてきた。 Furthermore, the blade 11 is very long and the rigidity in the direction of pitching (twisting up and down) is not so high. Also, even if the blade 11 itself has sufficiently high rigidity, the load due to the movement in the pitching direction is supported only by the pitch link at the blade root 12 and its vicinity (hereinafter referred to as “root part”). Therefore, the load limit of the pitch link may become the performance limit of the helicopter. Therefore, the pitching moment coefficient C m giving air force in the pitching direction to the blade 11 must be kept small value. Therefore, conventionally, the following three points have been considered in the design of the airfoil of the blade 11.

1つ目のポイントは、低速での最大揚力係数CLMAXである。前述のように高速前進飛行時には後退側での迎角が大きくなる。高迎角においても剥離を発生しない、即ち、後退側における低速(M<0.4)における最大揚力係数CLMAXの大なることが必要である。また、前進速度0のホバリング状態における揚力発生能力は、最大離陸重量の増加や高空性能の向上に不可欠である。ホバリング時には翼端13付近は、M=0.6程度であり、この中速域での最大揚力係数CLMAXも重要な評価項目である。最大揚力係数CLMAX発生付近の迎角αでは、低中速においても、ブレード11の前縁付近では流れが超音速まで加速することがあり、圧縮性の効果が効いて来るので、低速と中速の最大揚力係数CLMAXの値は異なり、また翼型によってもそのバランスは異なる。 The first point is the maximum lift coefficient C LMAX at low speed. As described above, the angle of attack on the reverse side increases during high-speed forward flight. It is necessary that separation does not occur even at a high angle of attack, that is, the maximum lift coefficient C LMAX at a low speed (M <0.4) on the receding side is increased. Further, the lift generation capability in a hovering state at a forward speed of 0 is indispensable for increasing the maximum take-off weight and improving the high-air performance. At the time of hovering, the vicinity of the blade tip 13 is about M = 0.6, and the maximum lift coefficient C LMAX in the medium speed range is also an important evaluation item. At the angle of attack α near the maximum lift coefficient C LMAX generation, even at low and medium speeds, the flow may accelerate to supersonic speeds near the leading edge of the blade 11, and the compressive effect will be effective. The value of the maximum maximum lift coefficient C LMAX varies, and the balance varies depending on the airfoil.

2つ目のポイントは、低迎角での抵抗発散マッハ数MDDである。高速前進飛行時の前進側ではM>0.8となり、揚力は0に近い。そこで、高速特性の指標として抵抗発散マッハ数MDDが用いられる。抵抗発散マッハ数MDDには、いくつかの定義方法があるが、代表的には、ある揚力係数Cでの抵抗係数CがM=0.6の場合の値より0.002(=20ドラグカウント)増えるマッハ数として定義される。低迎角での抵抗係数Cは100カウント程度なので、抵抗が僅かに増え始めるマッハ数という意味である。 The second point is the resistance divergence Mach number M DD at a low angle of attack. On the forward side during high-speed forward flight, M> 0.8, and the lift is close to zero. Therefore, the resistance divergence Mach number M DD is used as an index of high-speed characteristics. The drag divergence Mach number M DD, had there are how to define several, typically 0.002 drag coefficient C D at a certain lift coefficient C L is higher than the value when the M = 0.6 ( = 20 Drag count) is defined as an increasing Mach number. Since the resistance coefficient C D is approximately 100 counts at low angle of attack, resistance is meant that Mach number begins to increase slightly.

3つ目のポイントは、零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|であり、|Cm0|<0.01となるようにする。前述のようにピッチングモーメント係数Cを小さくする必要があるが、その指標として零揚力時のピッチングモーメント係数の絶対値|Cm0|が0.01未満(|Cm0|<0.01)であれば充分小さいと判断する。圧縮性の効果により、マッハ数Mによって値は異なるが、低速(M=0.3)での値が用いられることが多い。この零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|は、M=0.6辺りまでは、大きな変化はない。 The third point is the absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 so that | C m0 | <0.01. It is necessary to reduce the pitching moment coefficient C m, as described above, the absolute value of the pitching moment coefficient at zero lift An index | C m0 | is less than 0.01 (| C m0 | <0.01 ) in Judge that it is small enough. Although the value varies depending on the Mach number M due to the compressive effect, a value at a low speed (M = 0.3) is often used. The absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 does not change greatly until around M = 0.6.

本件発明者らは、これらの指標について、試験などを行って見直し、本実施の形態では、これらに代わる指標を採用するようにしている。本実施の形態で用いられる指標について、以下に説明する。   The inventors of the present invention review these indices by conducting tests and the like, and in the present embodiment, adopt indices that replace them. The index used in the present embodiment will be described below.

まず最大揚力係数CLMAXに替わる指標揚力係数CL300について、説明する。M>0.6の速度域では、明確な最大揚力係数CLMAXが発生せず、迎角増加と共に、揚力係数Cがどこまでも緩やかに増加してゆくことがある。しかし、揚力係数Cが増加しても、このような高迎角が実際に使用できるわけではない。ある迎角以上になると、抵抗が急増すると共に、空気力が非定常になりブレード11が振動(バフェット)を始める。実用的には、バフェットが発生する揚力係数Cが限度となり、バフェット発生揚力係数CLbuffと呼ばれる。本件発明者らが、様々な翼型について試験した結果、中低速における最大揚力係数Cにおいても、中高速におけるバフェット発生揚力係数CLbuffにおいても、同じく抵抗が急増し、抵抗係数Cが0.03(300カウント)に達する付近が翼の使用限度になることがわかった。このポイントを踏まえ、新たな指標として、指標揚力係数CL300を用いる。 First, an index lift coefficient C L300 that replaces the maximum lift coefficient C LMAX will be described. In the speed range where M> 0.6, a clear maximum lift coefficient C LMAX is not generated, and the lift coefficient C L may gradually increase as the angle of attack increases. However, even if the increased lift coefficient C L is, such a high angle of attack not actually available. When the angle of attack exceeds a certain angle of attack, the resistance increases rapidly and the aerodynamic force becomes unsteady, and the blade 11 starts to vibrate (buffet). Practically, the lift coefficient C L at which buffet is generated is a limit, and this is called a buffet generated lift coefficient C Lbuff . As a result of the tests conducted by the present inventors on various types of airfoils, the resistance increases rapidly and the resistance coefficient C D is 0 at both the maximum lift coefficient C L at medium and low speeds and the buffet- generated lift coefficient C Lbuff at medium and high speeds. It was found that the wing usage limit was around 0.03 (300 counts). Based on this point, the index lift coefficient CL 300 is used as a new index.

指標揚力係数CL300の利用には次のような利点がある。第1に、低速域から中高速域まで同じ指標で評価できる。第2に、CFD解析を用いて求める場合、用いる乱流モデルによってはどこまでも揚力が増加して明確な最大揚力係数 MAX が得られない場合があるが、そのような場合でも抵抗係数Cの急増は再現され、乱流モデルによる差が小さく、解析の信頼性が高い。第3に、指標揚力係数CL300は、抵抗の急増するポイントを意味し、抵抗の急増は、それ自体、重要な空力現象である。さらに、最大揚力係数 MAX との関係でも述べたように、抵抗の急増するポイントにおいて、それまで徐々に増えてきた揚力が減少に転じる、ピッチングモーメント係数Cが急変するなど、翼の様々な特性に非線形を生じるという意味でも重要な指標である。第4に、後述のように高速限界についての性能評価にも用いることができる。 The use of the index lift coefficient C L300 has the following advantages. First, it can be evaluated with the same index from a low speed region to a medium high speed region. Secondly, when CFD analysis is used, the maximum lift coefficient C L MAX may not be obtained depending on the turbulence model used, and the resistance coefficient C D may not be obtained. The increase in the frequency is reproduced, the difference due to the turbulence model is small, and the analysis is reliable. Third, the index lift coefficient C L300 means a point where the resistance rapidly increases, and the rapid increase in resistance is an important aerodynamic phenomenon. In addition, as described in relation to the maximum lift coefficient C L MAX , various points of the wing, such as the point where the resistance increases rapidly, the lift gradually increased until then, and the pitching moment coefficient C m changes abruptly. This is also an important indicator in the sense that non-linearity occurs in various characteristics. Fourth, as described later, it can also be used for performance evaluation on the high speed limit.

次に、抵抗発散マッハ数MDDに替わる指標揚力係数CL300について、説明する。固定翼機の場合には、抵抗発散マッハ数MDDは、その近辺での巡航が最も効率が良いという重要な意味がある。ジェットエンジンの効率は、高速ほど良くなり、空気抵抗は、抵抗発散マッハ数MDD以上で急増する。その兼ね合いで、抵抗がやや増えはじめた抵抗発散マッハ数MDD付近で総合的な燃費効率が最大となる。しかし、ブレード11の翼型においては、抵抗発散マッハ数MDD付近で定常的に運用されることはなく、状況が全く異なる。抵抗発散マッハ数MDDを超えて多少抵抗係数Cが増えても、一瞬であればそれによる性能へのインパクトは小さい。 Next, an index lift coefficient C L300 that replaces the resistance divergence Mach number M DD will be described. In the case of a fixed wing aircraft, the resistance divergence Mach number M DD has the important meaning that cruising in the vicinity is most efficient. The efficiency of a jet engine improves as the speed increases, and the air resistance increases rapidly above the resistance divergence Mach number M DD . As a result, the overall fuel efficiency is maximized in the vicinity of the resistance divergence Mach number M DD where the resistance starts to increase slightly. However, in the airfoil of the blade 11 is not to be constantly operated in drag divergence Mach near number M DD, situation quite different. Even if the resistance coefficient C D increases slightly beyond the resistance divergence Mach number M DD , the impact on the performance is small in a moment.

また、本実施の形態における目標の1つの例である速度300km/hでの水平飛行時の前進側マッハ数M=0.845以上の抵抗発散マッハ数MDDを有するブレード11は、極端な薄翼でなければ不可能である。このような極端な薄翼は、低速高迎角での運用には向かず、ヘリ翼型に適用できない。したがって、最高速側では、抵抗発散マッハ数MDD以上での運用が不可避である。 In addition, the blade 11 having a resistance divergence Mach number M DD of a forward side Mach number M = 0.845 or more at the time of horizontal flight at a speed of 300 km / h, which is one example of a target in the present embodiment, is extremely thin. It is impossible without wings. Such extreme thin blades are not suitable for operation at low speeds and high angles of attack, and cannot be applied to helicopter wings. Therefore, operation at the resistance divergence Mach number M DD or more is inevitable on the highest speed side.

中低速域での状況と同じく、高速域での遷音速現象による特性の非線形化の指標としても、指標揚力係数CL300を適用することが可能である。遷音速現象は、翼付近の流れ場に亜音速、超音速領域が混在し、衝撃波の発生によって様々な非線形現象が発生する現象である。指標揚力係数CL300は、最大揚力係数CLMAXと異なり、マッハ数Mを固定して迎角αを変化させるのではなく、迎角αまたは揚力を固定してマッハ数Mを変化させる計算方法をとるが、抵抗係数Cが0.03となる、揚力係数Cとマッハ数Mとの組み合わせという点で意味は同じである。 Similar to the situation in the middle / low speed range, the index lift coefficient C L300 can be applied as an index of non-linear characteristics due to the transonic phenomenon in the high speed range. Transonic phenomena are phenomena in which subsonic and supersonic regions coexist in the flow field near the wing, and various nonlinear phenomena occur due to the generation of shock waves. The index lift coefficient C L300 is different from the maximum lift coefficient C LMAX in that it does not change the angle of attack α by fixing the Mach number M, but changes the Mach number M by fixing the angle of attack α or lift. However, the meaning is the same in terms of the combination of the lift coefficient CL and the Mach number M, where the resistance coefficient CD is 0.03.

抵抗発散マッハ数MDDは、M=0.6から抵抗係数Cが20カウント増加するポイントであり、M=0.6での抵抗係数Cは、約100カウントなので、指標揚力係数CL300は、抵抗係数Cが約200カウント増加するポイントということになる。抵抗発散マッハ数MDDでは、衝撃波抵抗が発生し始めるが、まだ使用できる状況なのに対し、指標揚力係数CL300では、使用限度を示しているということができる。 Drag divergence Mach number M DD is, M = 0.6 the resistance coefficient C D is the point at which increasing 20 counts, is the drag coefficient C D at M = 0.6, so about 100 counts, index lift coefficient C L300 the resistance coefficient C D is that approximately 200 counts increased points. In the resistance divergence Mach number M DD , shock wave resistance starts to be generated, but it can still be used, whereas the index lift coefficient C L300 indicates the use limit.

次に、衝撃波、剥離を考慮した非定常解析による低ピッチングモーメント係数(低C)の評価について、説明する。中低速域での低迎角においては、ピッチングモーメント係数Cは、零揚力モーメント係数Cm0と大きく変らない。しかし、後退側大迎角時の剥離および前進側高速時の衝撃波発生といった非線形減少で状況は大きく変り、低速低迎角でピッチングモーメント係数Cの絶対値|C|の小さい翼型が必ずしも、このような限界状況でも、ピッチングモーメント係数Cの絶対値|C|が小さいことを保障するわけではない。 Next, the evaluation of the low pitching moment coefficient (low C m ) by unsteady analysis in consideration of shock waves and separation will be described. At a low angle of attack in the medium / low speed range, the pitching moment coefficient C m does not change significantly from the zero lift moment coefficient C m0 . However, availability nonlinear reduced such detachment and the forward side at high speeds of the shock wave generation during the backward side high angle of attack is changed greatly, the absolute value of the pitching moment coefficient C m at low speed and low angle of attack | C m | small airfoil necessarily Even in such a limit situation, it is not guaranteed that the absolute value | C m | of the pitching moment coefficient C m is small.

特に、高速前進側では、動圧が大きく荷重が大きくなること、そこでの頭下げモーメントによる捻り下げは、空気力へのポジティブフィードバックによりブレードコントロールの発散を招く危険がある。つまり、高速性能の観点から抑えるべきは、低負荷時のピッチングモーメント係数Cではなく、高速時の最大値である。無論、全領域でピッチングモーメント係数Cが小さいのが良いのには違いないが、実際の運用条件でのバランスから決められるべきである。そこで、本実施の形態では、ピッチングモーメント係数Cも参考にするが、最終的な選択には、実運用に近い、非定常解析結果のモーメントの大小を評価対象にする。ここでの頭下げモーメントとは、ブレード11の前縁部分を下方にねじり曲げ、弾性変形によってロータ端ほど翼の迎角が減少させるようなモーメントをいう。 In particular, on the high speed forward side, the dynamic pressure is large and the load is large, and the twisting by the head-lowering moment there is a risk of causing blade control divergence due to positive feedback to the aerodynamic force. That is, what should be suppressed from the viewpoint of high speed performance is not the pitching moment coefficient C m at low load, but the maximum value at high speed. Of course, it should be good that the pitching moment coefficient Cm is small in the entire region, but it should be determined from the balance in the actual operation conditions. Therefore, in the present embodiment, pitching moment coefficient C m is also Sankounisuru is, the final selection, close to the actual operation, the magnitude of the transient analysis result moment evaluation. Here, the head-lowering moment refers to a moment in which the leading edge portion of the blade 11 is twisted downward and the angle of attack of the blade is reduced toward the rotor end by elastic deformation.

速度300km/hでの水平飛行を実現するのに必要な空力性能について、説明する。図6は、ブレード11における位置毎のマッハ数Mと揚力係数Cとの関係を示すグラフである。図7は、既存の翼型のマッハ数Mと揚力係数Cとの関係を示すグラフである。図6には、ロータ性能計算プログラムで予測した、中型民間ヘリコプタが160kt(約296km/h)で水平飛行するときの、1周期の間にうける揚力係数Cを、ブレード11の各位置毎に示す。図6には、実線で96%の翼長方向位置の揚力係数Cを示し、一点鎖線で77%の翼長方向位置の揚力係数Cを示し、破線で52%の翼長方向位置の揚力係数Cを示す。 The aerodynamic performance necessary for realizing level flight at a speed of 300 km / h will be described. Figure 6 is a graph showing the relationship between Mach number M and the lift coefficient C L of each position in the blade 11. Figure 7 is a graph showing the relationship between Mach number M and the lift coefficient C L of the existing airfoil. FIG. 6 shows the lift coefficient C L for each position of the blade 11 when the medium-sized civil helicopter flies horizontally at 160 kt (about 296 km / h) predicted by the rotor performance calculation program. Show. In FIG. 6, the solid line indicates the lift coefficient C L at a blade length direction position of 96%, the dashed line indicates the lift coefficient C L at a blade length direction position of 77%, and the broken line indicates 52% of the blade length direction position. The lift coefficient CL is shown.

翼型の空力特性としては、高いマッハ数で高い揚力係数Cを実現するのが難しいターゲットなので、図6において右上に位置する要求性能ほど、これを実現する設計が難しくなる。したがって、図6において右上に位置するチップ部の翼型の設計が最も困難である。そこで、本実施の形態ではチップ部の95%の翼長方向位置の翼型の設計に注力する。 The aerodynamic characteristics of the airfoil, since the flame correct target for achieving a high lift coefficient C L with high Mach numbers, as the required performance in the upper right in FIG. 6, the design is difficult to achieve this. Therefore, it is most difficult to design the airfoil of the tip portion located at the upper right in FIG. Therefore, in the present embodiment, the focus is on the design of the airfoil at the position in the blade length direction of 95% of the tip portion.

本件発明者らは、静的CFD解析結果の指標揚力係数CL300が、図6に示される各マッハ数Mでの必要な揚力係数Cを上回っていれば、剥離等の大きな性能低下を生じないことを確認しているので、各マッハ数Mでの指標揚力係数CL300が、必要な揚力係数Cを上回っていればよい。しかし図6と図7とを比較してわかるように、既存の翼型でこの要求を満たすものは存在していない。 If the index lift coefficient C L300 of the static CFD analysis result exceeds the required lift coefficient C L at each Mach number M shown in FIG. It is confirmed that the index lift coefficient C L300 at each Mach number M exceeds the necessary lift coefficient C L. However, as can be seen by comparing FIG. 6 and FIG. 7, there is no existing airfoil that satisfies this requirement.

最適化設計方法について、以下に説明する。
「最適化」とは「Optimization」の和訳であり、応用数学において、関数の最大、最小値と、それを与える変数値を求めることを意味する。ごく単純な関数の場合以外には、この問題を解析的に解くことはできない。そこで、関数が容易に表現できない場合も含めて、最大、最小値を得るための数値的方法が、多数提案されている。変数として、設計を代表するパラメータをとり、目的関数を性能指標と考えれば、そのパラメータで表現できる範囲内から、最良の性能を与えるパラメータ、即ち設計を選択できることになる。このような方法が、最適設計または最適化設計と呼ばれる方法である。
The optimization design method will be described below.
“Optimization” is a Japanese translation of “Optimization”, and means, in applied mathematics, finding the maximum and minimum values of a function and the variable values that give them. Except for very simple functions, this problem cannot be solved analytically. Thus, many numerical methods have been proposed for obtaining the maximum and minimum values, including cases where functions cannot be expressed easily. If a parameter representative of design is taken as a variable and the objective function is considered as a performance index, the parameter that gives the best performance, that is, the design can be selected from the range that can be expressed by the parameter. Such a method is a method called optimum design or optimization design.

たとえば、空力設計において、翼型をいくつかの実数パラメータ(たとえば、最大翼厚および前縁半径など)で表現し、そのパラメータが表す翼型の何らかの空力特性(たとえば最大揚力係数)をCFD解析で計算できれば、形式的には、最大揚力係数CMAX を設計パラメータで表現できたことになる。つまり目的関数の評価の中身は、実際には、格子生成、CFD解析、計算結果後処理を含む、かなり複雑な解析作業となる。 For example, in aerodynamic design, an airfoil is represented by some real parameters (for example, maximum blade thickness and leading edge radius, etc.), and any aerodynamic characteristics (for example, maximum lift coefficient) of the airfoil represented by the parameters are represented by CFD analysis. If it can be calculated, formally, the maximum lift coefficient C L MAX can be expressed by design parameters. In other words, the contents of the objective function evaluation are actually quite complicated analysis operations including grid generation, CFD analysis, and post-processing of calculation results.

設計は、複数の変数で表現されるので、一つの設計を表現するパラメータの集まりを「パラメータ列」と呼ぶ。数多くの最適化方法があるが、複数のパラメータ列の目的関数の結果から、次の改良された結果を生むパラメータ列を算出し、漸進的に設計を改善してゆくのは共通した特徴である。   Since a design is expressed by a plurality of variables, a set of parameters expressing one design is called a “parameter sequence”. There are many optimization methods, but it is a common feature that the parameter sequence that produces the next improved result is calculated from the result of the objective function of multiple parameter sequences, and the design is gradually improved. .

このような最適化設計は次の3つの独立した要素からなる。第1に、設計の「パラメータ列による表現方法」。第2に、設計の「性能(目的関数)評価法」。第3に、パラメータ列と性能評価から改善が予測される次のパラメータ列を算出する「最適化エンジン」。最適化エンジンは、最適化アルゴリズムとも呼ばれる。   Such an optimized design consists of the following three independent elements. First, the “expression method by parameter sequence” of design. Second, the “performance (objective function) evaluation method” of the design. Third, an “optimization engine” that calculates the next parameter sequence that is predicted to be improved from the parameter sequence and performance evaluation. The optimization engine is also called an optimization algorithm.

これら3つ要素を決めると、最適化設計方法を規定できる。第1および第2の要素は、最適化設計のみならず、一般の設計においても必要な項目であり、この2段階が設計装置20(コンピュータ)上で実現されていれば、設計パラメータ列と性能指標を結びつける物理過程、たとえば、高速での抵抗増加は衝撃波の発生による過程などを、表面上考慮せずとも、より良い設計を算出できるのが最適化設計の大きなメリットである。ただし、物理過程を斟酌する必要がないのは、最適化エンジンにおいてだけであって、パラメータ表現および性能評価法においては設計対象の特性や物理過程を深く理解して設定しなければならないのは言うまでもない。   When these three factors are determined, an optimization design method can be defined. The first and second elements are necessary items not only in the optimization design but also in the general design. If these two stages are realized on the design apparatus 20 (computer), the design parameter string and the performance are obtained. The great merit of the optimized design is that a better design can be calculated without considering on the surface the physical process that links the indices, for example, the process of generating a shock wave due to the increase in resistance at high speed. However, it is only in the optimization engine that there is no need to hesitate in the physical process, and it goes without saying that the parameter expression and performance evaluation method must be set with a deep understanding of the characteristics of the design object and the physical process. Yes.

パラメータ列による翼型表現の方法について、説明する。パラメータ表現方法は、次の項目を考慮して選択する。まず第1に、パラメータ数をできる限り、減らす。パラメータ数は探索すべき設計空間の次元数となるので、パラメータが増えると探索すべき点が飛躍的に増える。第2に、できる限り、幅広いパラメータ列で滑らかで、実用的な翼型を表現できるようにする。第3に、幅広い翼型が表現できるようにする。   A method of airfoil expression using a parameter sequence will be described. The parameter expression method is selected in consideration of the following items. First, reduce the number of parameters as much as possible. Since the number of parameters is the number of dimensions of the design space to be searched, the number of points to be searched increases dramatically as the parameters increase. Second, as much as possible, a smooth and practical airfoil can be expressed with a wide range of parameters. Thirdly, a wide range of airfoils can be expressed.

これらを満足する方法として次の方法を選択した。図8は、翼型の定義の仕方を示すグラフである。図9は、キャンバを示すグラフである。図10は、翼厚分布を示すグラフである。翼型は、尖鋭となる先端の点である後縁と、後縁から最も遠い点である前縁とを結ぶ翼弦線をX軸にとるとともに、これに垂直にY軸をとり、前縁と後縁との距離であり翼弦長を1として、XY座標で表される。図8において、破線がキャンバラインを示し、実線が翼型の上面を示し、一点鎖線が翼型の下面を示す。   The following method was selected as a method satisfying these. FIG. 8 is a graph showing how to define an airfoil. FIG. 9 is a graph showing camber. FIG. 10 is a graph showing the blade thickness distribution. The airfoil takes the chord line connecting the trailing edge, which is the point of the sharp tip, and the leading edge, which is the farthest from the trailing edge, on the X axis, and takes the Y axis perpendicular to this, leading the leading edge And the trailing edge, and the chord length is 1, and is expressed in XY coordinates. In FIG. 8, the broken line indicates the camber line, the solid line indicates the upper surface of the airfoil, and the alternate long and short dash line indicates the lower surface of the airfoil.

翼型を、キャンバ(Camber)ラインと翼厚分布とで定義し、これらの双方をベジェ曲線で表現する。ベジェ曲線は、点数に応じた次数をもち、全般にわたって充分な滑らかさをもつ曲線を常に与える利点を持つ。キャンバは、6点のベジェ曲線で定義し、各点のX座標は、0.0,0.05,0.2,0.5,0.8,1.0に固定する。Y座標に関しては、X座標が0.0,1.0の前縁および後縁の2点では0に固定し、残りの中間の4点のY座標を設計パラメータとする。   An airfoil is defined by a camber line and a blade thickness distribution, and both of these are expressed by Bezier curves. A Bezier curve has the advantage of always giving a curve having a degree corresponding to the number of points and having sufficient smoothness throughout. The camber is defined by six Bezier curves, and the X coordinate of each point is fixed at 0.0, 0.05, 0.2, 0.5, 0.8, and 1.0. As for the Y coordinate, the X coordinate is fixed at 0 at the two points of the leading edge and the trailing edge of 0.0 and 1.0, and the remaining Y coordinates of the middle four points are used as design parameters.

翼厚分布は、7点のベジェ曲線で定義し、各点のX座標は、0.0,0.0,0.05,0.2,0.5,0.8,1.0に固定する。Y座標に関しては、前縁は0に固定し、後縁は0.01に固定し、残りの中間5点のY座標を設計パラメータとする。前縁側2点のX座標を0に重ねることで丸い前縁を表現する。後述する最適化設計ケースのように、形状範囲を限定するためいくつかのパラメータを固定することが可能である。   The blade thickness distribution is defined by 7 Bezier curves, and the X coordinate of each point is fixed at 0.0, 0.0, 0.05, 0.2, 0.5, 0.8, and 1.0. To do. Regarding the Y coordinate, the leading edge is fixed to 0, the trailing edge is fixed to 0.01, and the Y coordinates of the remaining five intermediate points are used as design parameters. A round leading edge is expressed by superimposing the X coordinates of the two points on the leading edge side to zero. As in the optimization design case described later, it is possible to fix some parameters to limit the shape range.

さらに具体的な翼型表現方法として、翼型の最大翼を固定する場合の翼型表現方法について、説明する。翼厚Tは、翼弦長を100として、百分率で表される。初期値として、翼厚分布を与えるベジェ曲線の、X=0での入力点Y座標を0.05に固定して、翼座標を生成する。ベジェ曲線の性質から、他の設計変数の値次第で、最大翼厚Tmaxが丁度10%になるとは限らないので、後縁点を除く、全ての制御点の位置をY方向にスケーリングして、翼厚が10%になるスケーリングを繰返し計算で求める。一点を固定するので、翼厚分布のパラメータは1個減って4個となる。 As a more specific airfoil expression method, an airfoil expression method in the case of fixing the maximum airfoil thickness will be described. The blade thickness T is expressed as a percentage, where the chord length is 100. As an initial value, an input point Y coordinate at X = 0 of a Bezier curve giving a blade thickness distribution is fixed to 0.05, and blade coordinates are generated. Due to the nature of the Bezier curve, the maximum blade thickness Tmax may not be exactly 10% depending on the value of other design variables. Therefore, the positions of all control points except the trailing edge point are scaled in the Y direction. The scaling at which the blade thickness is 10% is obtained by repeated calculation. Since one point is fixed, the blade thickness distribution parameter is reduced by one to four.

また他の具体的な翼型表現方法として、零揚力モーメント係数Cm0指定の場合の翼型表現方法について、説明する。後縁の傾きを変えるために、後縁から2番目、X座標0.8の位置での、キャンバライン用ベジェ入力点を制御して、零揚力モーメント係数Cm0が指定した値になるようにする。従って、キャンバラインの設計パラメータは1個減って3個となる。方法としては、生成された翼型について、2次元非粘性のポテンシャル流れをパネル法によって解くことで空力特性を求め、零揚力モーメント係数Cm0が指定された値になるように、繰返し計算で、パラメータを求める。パネル法は数秒で終わるので計算負荷は増えない。本実施の形態では、図1のステップs3の工程では、この後縁から2番目の点の操作でキャンバラインを修正している。 As another specific airfoil expression method, an airfoil expression method in the case where the zero lift moment coefficient C m0 is designated will be described. In order to change the inclination of the trailing edge, the Bezier input point for camber line at the second position from the trailing edge and at the X coordinate of 0.8 is controlled so that the zero lift moment coefficient C m0 becomes the specified value. To do. Therefore, the design parameter of the camber line is reduced by 1 to 3 pieces. As a method, an aerodynamic characteristic is obtained by solving a two-dimensional inviscid potential flow by a panel method for the generated airfoil, and iterative calculation is performed so that the zero lift moment coefficient C m0 becomes a specified value. Find the parameters. Since the panel method ends in a few seconds, the computational load does not increase. In the present embodiment, in the step s3 in FIG. 1, the camber line is corrected by operating the second point from the trailing edge.

適用する性能評価法、目的関数について、説明する。第1の目的関数として、最大翼Tmaxを用いる。翼厚は、翼型のY軸に平行な方向の寸法であり、最大翼厚Tmaxは、翼型の翼厚の最大値である。最大翼厚Tmaxは、図10に示すようなベジェ曲線で定義される形状データから抽出する。高速低迎角での抵抗は衝撃波抵抗の小さい薄翼が優れているが、機械的強度などを考えると構造的には厚い翼が望ましいので、最大翼厚Tmaxを評価に加える。 The performance evaluation method and objective function to be applied will be described. The maximum blade thickness Tmax is used as the first objective function. The blade thickness is a dimension in a direction parallel to the Y axis of the airfoil, and the maximum blade thickness Tmax is the maximum value of the blade thickness of the airfoil. The maximum blade thickness Tmax is extracted from shape data defined by a Bezier curve as shown in FIG. Thin blades with small shock wave resistance are superior in resistance at high speed and low angle of attack. However, considering the mechanical strength and the like, thick blades are desirable from the structural viewpoint, so the maximum blade thickness Tmax is added to the evaluation.

第2の目的関数として、零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|を用いる。M=0.6、レイノルズ数Re=4.61×10の条件でCFD解析を実施し、迎角α=0°を初期条件として、反復計算によって、揚力係数C=0となる迎角を求め、そこでのピッチングモーメント係数Cを、零揚力モーメント係数Cm0として得る。最適化設計においては、零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|<0.01は、十分小さい。零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|が0.01未満であるか否かを評価するために、max(|Cm0|,0.01)を評価値とすることができる。 As the second objective function, the absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 is used. CFD analysis is performed under the conditions of M = 0.6 and Reynolds number Re = 4.61 × 10 6 , and the angle of attack at which the lift coefficient C L = 0 is obtained by iterative calculation with the angle of attack α = 0 ° as an initial condition. And a pitching moment coefficient C m is obtained as a zero lift moment coefficient C m0 . In the optimization design, the absolute value | C m0 | <0.01 of the zero lift moment coefficient C m0 is sufficiently small. In order to evaluate whether or not the absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 is less than 0.01, max (| C m0 |, 0.01) can be used as the evaluation value.

第3の目的関数として、低速指標揚力係数CL300@M=0.4を用いる。低速指標揚力係数CL300@M=0.4は、M=0.4での指標揚力係数CL300である。M=0.4において、零揚力迎角αから、抵抗係数Cが0.3に到達するまで、したがってC≧0.3となるまで1°刻みで徐々に迎角αを増加させる。到達したら、直前の迎角での値との直線内挿によって、抵抗係数C=0.3となる迎角αでの揚力係数Cを算出する。この低速指標揚力係数CL300@M=0.4は、低速での最大揚力係数に対応する。 As the third objective function, the low speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.4 is used. The low speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.4 is the index lift coefficient C L300 at M = 0.4. In M = 0.4, the zero lift angle of attack alpha 0, the drag coefficient C D is 0. 0 until 3 is reached, thus C D ≧ 0. The angle of attack α is gradually increased in increments of 1 ° until reaching 0 3. Once reached, the resistance coefficient C D = 0... By linear interpolation with the value at the previous angle of attack. The lift coefficient C L at the angle of attack α that becomes 0 3 is calculated. This low speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.4 corresponds to the maximum lift coefficient at low speed.

第4の目的関数として、中速指標揚力係数CL300@M=0.6を用いる。中速指標揚力係数CL300@M=0.6は、M=0.6での指標揚力係数CL300である。M=0.6において、零揚力迎角αから、抵抗係数Cが0.3に到達するまで、したがってC≧0.3となるまで1°刻みで徐々に迎角αを増加させる。到達したら、直前の迎角での値との直線内挿によって、抵抗係数C=0.3となる迎角αでの揚力係数Cを算出する。この低速指標揚力係数CL300@M=0.6は、ホバリング状態での最大揚力係数に対応する。 A medium speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.6 is used as the fourth objective function. The medium speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.6 is the index lift coefficient C L300 at M = 0.6. In M = 0.6, the zero lift angle of attack alpha 0, the drag coefficient C D is 0. 0 until 3 is reached, thus C D ≧ 0. The angle of attack α is gradually increased in increments of 1 ° until reaching 0 3. Once reached, the resistance coefficient C D = 0... By linear interpolation with the value at the previous angle of attack. The lift coefficient C L at the angle of attack α that becomes 0 3 is calculated. This low speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.6 corresponds to the maximum lift coefficient in the hovering state.

第5の目的関数として、マッハ数限界Mlim@αを用いる。迎角αを零揚力迎角αに固定し、M=0.7から0.01刻みでマッハ数Mを徐々に増加させ、次の2つのうち、どちらか小さい方をマッハ数限界Mlim@αとする。 As the fifth objective function, the Mach number limit M lim @ α 0 is used. The angle of attack α is fixed to zero lift angle of attack α 0 and the Mach number M is gradually increased in steps of 0.01 from M = 0.7, and the smaller of the following two is the Mach number limit M lim @ Α 0 .

図11は、マッハ数限界Mlim@αの一例を示すグラフである。このグラフの値は、翼型によって異なるものであり、マッハ数限界Mlim@αに示すあくまでも一例である。図11には、縦軸に空力係数を示し、空力係数には、揚力係数C,抵抗係数C,ピッチングモーメント係数Cが含まれる。破線31は、抵抗係数C=0.3を示し、破線32は、|ΔC|≧0.02を示す。実線33は、抵抗係数Cを示し、実線34は、ピッチングモーメント係数Cを示し、実線35は、揚力係数Cを示す。■36が、揚力限界を示し、■37が、モーメント限界を示す。 FIG. 11 is a graph showing an example of the Mach number limit M lim @ α 0 . The value of this graph varies depending on the airfoil and is merely an example shown in the Mach number limit M lim @ α 0 . In FIG. 11, the vertical axis shows the aerodynamic coefficient, and the aerodynamic coefficient includes a lift coefficient C L , a resistance coefficient C D , and a pitching moment coefficient C m . The broken line 31 indicates the resistance coefficient C D = 0. 0 3 and the broken line 32 indicates | ΔC m | ≧ 0.02. The solid line 33 shows the drag coefficient C D, a solid line 34 represents the pitching moment coefficient C m, a solid line 35 shows the lift coefficient C L. 36 indicates the lift limit, and 37 indicates the moment limit.

マッハ数限界の1つめは、揚力限界(CL300限界)である。抵抗係数C≧0.3となるまで0.01刻みでマッハ数Mを増加させる。到達したら、直前のマッハ数Mでの値との直線内挿によって、C=0.3となるマッハ数Mを算出する。このマッハ数が揚力限界のマッハ数である。マッハ数限界の2つめは、モーメント限界である。M=0.6でのピッチモーメント係数Cからの、ピッチモーメント係数Cの変動量をΔCとする。その変動量の絶対値|ΔC|≧0.02となるまでマッハ数Mを増加させる。到達したら、直前のマッハ数での値との直線内挿によって、|ΔC|=0.02となるマッハ数を算出する。このマッハ数がモーメント限界のマッハ数である。 The first Mach number limit is the lift limit ( CL 300 limit). Resistance coefficient C D ≧ 0. The Mach number M is increased in increments of 0.01 until reaching 03. Once reached, C D = 0... By linear interpolation with the value at the previous Mach number M. The Mach number M that becomes 0 3 is calculated. This Mach number is the lift limit Mach number. The second Mach number limit is the moment limit. From pitch moment coefficient C m at M = 0.6, the variation of pitch moment coefficient C m and [Delta] C m. The Mach number M is increased until the absolute value of the variation amount | ΔC m | ≧ 0.02. When it reaches, the Mach number that satisfies | ΔC m | = 0.02 is calculated by linear interpolation with the value at the previous Mach number. This Mach number is the moment limit Mach number.

図1を参照して説明したときには、これら第1〜第5の目的関数を用いるように説明したが、さらに加えて、第6の目的関数として、80%コード位置翼厚T@80%を用いる。この80%コード位置翼厚T@80%は、80%のコード位置における翼厚Tであり、ベジェ曲線で定義された、形状データから抽出する。経験上、空力特性上有利な翼は、後縁付近が極めて薄い翼であるので、目的関数に含めるようにしてもよい。既存翼との比較から、3%の翼厚があれば十分であると判断し、80%のコード位置における翼厚Tが、3%以上であるか否か評価するために、min(T@80%,0.03)を、実際の評価値とすることができる。   In the description with reference to FIG. 1, it has been described that these first to fifth objective functions are used. In addition, 80% code position blade thickness T @ 80% is used as the sixth objective function. . The 80% code position blade thickness T @ 80% is the blade thickness T at the code position of 80%, and is extracted from the shape data defined by the Bezier curve. As a result of experience, a wing advantageous in terms of aerodynamic characteristics is a very thin wing in the vicinity of the trailing edge, and may be included in the objective function. In comparison with the existing blade, it is judged that a blade thickness of 3% is sufficient, and in order to evaluate whether the blade thickness T at the cord position of 80% is 3% or more, min (T @ 80%, 0.03) can be the actual evaluation value.

速度300km/hでの水平飛行を可能にするために必要な性能評価値について、説明する。速度300km/hでの水平飛行を可能にする翼型を設計する場合、前述の目標関数に関して評価値をそれぞれ設定する。この評価値は、設計目標によって異なるものであり、ここでは、あくまでも一例を示す。   The performance evaluation value necessary to enable horizontal flight at a speed of 300 km / h will be described. When designing an airfoil that enables horizontal flight at a speed of 300 km / h, an evaluation value is set for each of the aforementioned target functions. This evaluation value varies depending on the design target, and an example is shown here.

最大翼厚Tmaxに関しては、設定しない。零揚力モーメント係数Cm0の絶対値|Cm0|は、小さいほど良い。低速指標揚力係数CL300@M=0.4は、図6に示す条件から、CL300@M=0.4>1.55とする。速指標揚力係数CL300@M=0.6は、図6に示す条件から、CL300@M=0.6>0.95とする。マッハ数限界Mlim@αは、図6に示す条件から、Mlim@α>0.845とする。このように設定すれば、図6に示す速度300km/hでの水平飛行を可能にするための要求性能を満たす翼型を設計可能である。 The maximum blade thickness Tmax is not set. A smaller absolute value | C m0 | of the zero lift moment coefficient C m0 is better. The low speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.4 is set to C L300 @ M = 0.4> 1.55 from the condition shown in FIG. The medium speed index lift coefficient C L300 @ M = 0.6 is set to C L300 @ M = 0.6> 0.95 from the condition shown in FIG. The Mach number limit M lim @ α 0 is set to M lim @ α 0 > 0.845 from the condition shown in FIG. By setting in this way, it is possible to design an airfoil that satisfies the required performance for enabling horizontal flight at a speed of 300 km / h shown in FIG.

最適化エンジン(最適化アルゴリズム)の種別について、説明する。最適化エンジンは、以下に述べるものだけではないが、ここでは、代表的な最適化エンジンについて、説明する。   The types of optimization engines (optimization algorithms) will be described. The optimization engine is not limited to the one described below, but here, a typical optimization engine will be described.

1つ目は、勾配法である。1個の初期値から出発し、パラメータ列の変化による目的関数変化率(勾配)を差分などの方法で算出する。目的関数が最大(または最小)なる方向に、徐々にパラメータ列を変化させて設計を改良してゆく。複数点での勾配情報を巧妙に利用して、極大(極小)値を推定するBFGS法が代表的である。探索の効率は高いが、得られる解は初期値から辿り付ける極大値に限られており、これが、大域的な最大値である保障はない。そのため、初期値を探索範囲でランダムに振って、複数回の試行を実施するという対策がとられる。目的関数が複数ある場合には、各々の目的関数に重みをつけて足し合わせる等で、見かけ上、単目的に変換して用いる必要がある。   The first is the gradient method. Starting from one initial value, an objective function change rate (gradient) due to a change in parameter sequence is calculated by a method such as difference. The design is improved by gradually changing the parameter sequence in the direction in which the objective function is maximized (or minimized). The BFGS method that estimates the maximum (minimum) value by skillfully using the gradient information at a plurality of points is representative. Although the search efficiency is high, the solution obtained is limited to the maximum value that can be traced from the initial value, and there is no guarantee that this is the global maximum value. Therefore, a countermeasure is taken in which the initial value is randomly assigned in the search range and a plurality of trials are performed. When there are a plurality of objective functions, it is necessary to use each objective function after converting it into a single objective by weighting and adding the objective functions.

2つ目は、ダウンヒルシンプレックス(略称DS)法である。N次元のパラメータ空間に対して、N+1個の頂点をもつシンプレックス(2次元では3角形、3次元では4面体)を定義し、頂点における評価結果を用いて、シンプレックスを徐々に移動、変形させることによって、設計を改良させてゆく。シンプレックス内での目的関数の線形性を仮定すると、N+1個の評価により勾配が決定されることを用いる点で勾配法と似ている。BFGSに比べて収束性は劣るが、初期のN+1個の分布を計算空間で充分広く取れば、その中にある最大値に辿り付く可能性は高い。勾配法と同様に基本的に単目的の最適化方法である。   The second is the downhill simplex (abbreviation DS) method. Define an N + 1 vertex simplex (triangle in 2D, tetrahedron in 3D) for an N-dimensional parameter space, and gradually move and transform the simplex using the evaluation results at the vertex To improve the design. Assuming the linearity of the objective function in the simplex, it is similar to the gradient method in that it uses the gradient determined by N + 1 evaluations. Although the convergence is inferior to that of BFGS, if the initial N + 1 distributions are sufficiently wide in the calculation space, there is a high possibility of reaching the maximum value in the distribution. Like the gradient method, it is basically a single-purpose optimization method.

3つ目は、遺伝的アルゴリズム(GA)である。生物の遺伝的変化による進化を模擬する方法である。パラメータ空間の次元数よりも充分多い評価点での評価を繰返すことを特徴とする。生物の例にならって、評価点を個体、繰返し回数を世代、パラメータ列を遺伝子、と呼ぶ。DNAによる遺伝子レベルの進化メカニズムとダーウィンの進化論を用いて、次のようなステップで進化計算を行う。   The third is a genetic algorithm (GA). This is a method of simulating the evolution of organisms due to genetic changes. It is characterized in that the evaluation at evaluation points sufficiently larger than the number of dimensions in the parameter space is repeated. In the example of a living organism, an evaluation point is called an individual, a repetition count is called a generation, and a parameter string is called a gene. Using the genetic evolution mechanism by DNA and Darwin's theory of evolution, the evolution calculation is performed in the following steps.

まず、初期個体群に対して、目的関数の評価を行う。次に、評価の良いものほど、高い確率で次世代を残す(適者生存)。さらに、次世代の生成に当たっては、2つの個体の遺伝子をランダムに内挿して新しい遺伝子を生成する(交配)。さらに、ある確率で遺伝子にランダムなノイズを加える(突然変異)。さらに新世代に対して、目的関数の評価、適者生存、交配、突然変異を繰返す。   First, the objective function is evaluated for the initial population. Next, the better the evaluation, the higher the probability of leaving the next generation (surviving the right person). Furthermore, in the generation of the next generation, a new gene is generated (mating) by randomly interpolating the genes of two individuals. Furthermore, random noise is added to the gene with a certain probability (mutation). Furthermore, evaluation of objective functions, survival of the right person, mating, and mutation are repeated for the new generation.

GAは、多数の評価点を用いること、勾配情報を使用しないことから、局所最大値に収束する危険は少ない。個体数×世代の目的関数評価が必要となるので、評価の計算量が莫大なものになってしまうのが欠点である。しかし、個体数分の評価は完全に並列に実行できるので、多数のコンピュータを接続した並列コンピュータ上での並列化効率は非常に良い。また、GA単独では基本的に単目的の最適化方法である。   Since GA uses a large number of evaluation points and does not use gradient information, there is little risk of convergence to a local maximum value. Since it is necessary to evaluate the objective function of the number of individuals × generation, it is a drawback that the calculation amount of evaluation becomes enormous. However, since the evaluation for the number of individuals can be executed completely in parallel, the parallelization efficiency on a parallel computer in which many computers are connected is very good. Moreover, GA alone is basically a single-purpose optimization method.

4つ目は、多目的遺伝的アルゴリズム(略称MOGA)である。生物の進化においては、1種類の最適な形質に収斂することはなく、微妙な環境の変化に応じて、様々な生物種が同時に生息している。すなわち、生存に有利に働く性質が複数あるときに、環境によって、各性質の重要性が異なるので、適者生存といっても、一種には決まらないということである。このような場合の形質ごとの優劣の比較に便利なのが、パレート最適の概念である。パレート最適である個体をパレート解と呼ぶが、パレート解であれば、重み付け次第で最適解になる可能性があるということを意味する。生物の話に戻ると、環境次第で最適合の形質になる可能性があるということである。パレートランクを設定し、各個体をパレートランクに割り当て、最も高いパレートランクに属する非劣解の集合をパレート解とする。   The fourth is a multi-purpose genetic algorithm (abbreviated as MOGA). In the evolution of organisms, they do not converge on one optimal trait, and various species inhabit at the same time according to subtle environmental changes. That is, when there are a plurality of properties that favor survival, the importance of each property varies depending on the environment, so even if it says survival of the right person, it is not a kind. In this case, the Pareto optimal concept is convenient for comparing superiority and inferiority for each character. An individual that is Pareto optimal is referred to as a Pareto solution, but if it is a Pareto solution, it means that there is a possibility of becoming an optimal solution depending on weighting. Returning to the story of living things, there is a possibility that it may become the optimal trait depending on the environment. A Pareto rank is set, each individual is assigned to a Pareto rank, and a set of non-inferior solutions belonging to the highest Pareto rank is defined as a Pareto solution.

図12は、パレート解のイメージを示すグラフである。図12には、目的関数が2つの場合、たとえば低速性能と、マッハ数限界との場合を例に示し、○が第1世代、第2世代を示し、●が第3世代を示す。またパレート解には、符号「40」を付す。パレートランクは、次のような手順で決める。初期には、全個体のランクを0(最高ランク)に初期化する。全ての個体について、自分以外の全ての他の個体と、目的関数に関して比較する。全ての目的関数で自分より評価の高い個体に出会ったら、自分のランクを1つ落とす。このようにして全ての個体に対してパレートランクでランク付けする。ランクが0(最高ランク)のままで残った個体は、他のどの個体と各々比べたときでも、少なくとも1つは有利な点を持っている、ということである。即ち、最高のパレートランクを持つ個体は1つではない。原理的には無数に存在し得る。このような最高ランクの個体の集合がパレート解となる。   FIG. 12 is a graph showing an image of a Pareto solution. FIG. 12 shows an example where there are two objective functions, for example, low speed performance and Mach number limit, ◯ indicates the first generation and second generation, and ● indicates the third generation. In addition, the Pareto solution is denoted by reference numeral “40”. The Pareto rank is determined by the following procedure. Initially, the rank of all individuals is initialized to 0 (highest rank). Compare all individuals with all other individuals except for yourself in terms of objective function. If you encounter an individual with a higher evaluation than yourself in all objective functions, drop your rank by one. In this way, all individuals are ranked with a Pareto rank. Individuals remaining in the rank of 0 (highest rank) have at least one advantage when compared to any other individual. That is, there is not one individual with the highest Pareto rank. In principle, there can be countless numbers. The set of individuals with the highest rank is the Pareto solution.

図12の場合、パレート解は、右上の方に概ね一本の曲線上にある解の集合となる。この集合を結ぶ線を、パレートエッジ、トレードオフカーブなどと呼ぶ。MOGAでは、世代を重ねることで、パレートエッジを徐々に右上方向に前進させて行く。成熟すると、パレートエッジの上昇が停止し、最適パレート解となる。図12のように、翼端13付近(チップ部)に重要な目的関数、たとえばマッハ数限界と、翼根12付近(ハブ寄りの部分)に重要な目的関数、たとえば低速性能とで評価して得られるパレート解には、翼端13付近に適した翼型と、翼根12付近に適した翼型とが、含まれている。つまり1回の設計で、ブレード11の翼根12から翼端13までの各部位に適した翼型を得ることができる。   In the case of FIG. 12, the Pareto solution is a set of solutions that are substantially on a single curve in the upper right. A line connecting this set is called a Pareto edge or a trade-off curve. In MOGA, the Pareto edge is gradually advanced to the upper right by overlapping generations. When mature, the rise of the Pareto edge stops and the optimal Pareto solution is reached. As shown in FIG. 12, an objective function important near the blade tip 13 (tip portion), for example, the Mach number limit, and an objective function important near the blade root 12 (portion near the hub), such as low speed performance, are evaluated. The Pareto solution obtained includes an airfoil suitable for the vicinity of the blade tip 13 and an airfoil suitable for the vicinity of the blade root 12. That is, an airfoil suitable for each part from the blade root 12 to the blade tip 13 of the blade 11 can be obtained by one design.

MOGAでは、このランク(パレートランク)をMOGA内部での評価値とする。GAでは、もともと、多くの個体を用いて進化計算を行うので、GAから評価の部分を変えるだけで、このMOGA手順は自然かつ容易に導入できる。   In MOGA, this rank (Pareto rank) is used as an evaluation value inside MOGA. In GA, evolutionary computation is originally performed using many individuals, so this MOGA procedure can be introduced naturally and easily by simply changing the evaluation part from GA.

多目的最適化について、説明する。前述のように、ブレード11の翼型の設計においては、5〜6個程度の評価項目(目的関数に相当する項目)に関して、同時に向上させる必要がある。また、設計開始前には、色々な目的関数が、どのような重みで実現できるのかは不明である。したがって、目的関数の重み付平均についての単目的最適化方法は適用が難しい。   Multi-objective optimization will be described. As described above, in the design of the airfoil of the blade 11, it is necessary to simultaneously improve about 5 to 6 evaluation items (items corresponding to the objective function). Moreover, it is unclear what weight the various objective functions can realize before the start of design. Therefore, the single-objective optimization method for the weighted average of the objective function is difficult to apply.

そこで、本実施の形態では多目的最適化エンジンであるMOGAを、最適化エンジンとして用いている。MOGAを用いるブレード11の翼型の設計の手順は、図1のフローチャートに示すとおりである。MOGAの場合、設計計算が進展しても、唯一の最適形状に収束するわけではない。世代を繰返しても、パレート解で際立ったものが現れなくなり、パレートエッジの前進が停まるのが収束に対応し、成熟ともいえる。   Therefore, in this embodiment, MOGA, which is a multi-purpose optimization engine, is used as the optimization engine. The procedure for designing the airfoil of the blade 11 using MOGA is as shown in the flowchart of FIG. In the case of MOGA, even if design calculation progresses, it does not converge to a single optimum shape. Even if generations are repeated, what stands out in the Pareto solution does not appear and the advance of the Pareto edge stops corresponds to convergence and can be said to be mature.

以下に、本実施の設計方向で設計された翼型について、説明する。図13は、本発明に従う設計方法で設計された翼型の一例を示すグラフである。図14は、本発明に従う設計方法で設計された翼型の他の例を示すグラフである。図15は、本発明に従う設計方法で設計された翼型のさらに他の例を示すグラフである。図16は、本発明に従う設計方法で設計された翼型のさらに他の例を示すグラフである。図17は、既存の翼型の一例を示すグラフである。図18は、既存の翼型の他の例を示すグラフである。図19は、既存の翼型のさらに他の例を示すグラフである。図13〜図19には、翼弦線をX軸にとり、これと垂直にY軸をとり、翼弦長を1とするXY座標で示す。また図13〜図16において、線Uが、上面を示し、線Lが下面を示す。   Hereinafter, the airfoil designed in the design direction of the present embodiment will be described. FIG. 13 is a graph showing an example of an airfoil designed by the design method according to the present invention. FIG. 14 is a graph showing another example of an airfoil designed by the design method according to the present invention. FIG. 15 is a graph showing still another example of an airfoil designed by the design method according to the present invention. FIG. 16 is a graph showing still another example of an airfoil designed by the design method according to the present invention. FIG. 17 is a graph showing an example of an existing airfoil. FIG. 18 is a graph showing another example of an existing airfoil. FIG. 19 is a graph showing still another example of an existing airfoil. In FIG. 13 to FIG. 19, the chord line is taken as the X axis, the Y axis is taken perpendicularly thereto, and the chord length is set to 1 as the XY coordinates. Moreover, in FIGS. 13-16, the line U shows an upper surface and the line L shows a lower surface.

以下、便宜上、図13の型番Case5−No50の翼型を、第1実施例翼型といい、図14の型番Case5−No178の翼型を、第2実施例翼型といい、図15の型番Case5−No142の翼型を、第3実施例翼型といい、図16の型番Case5−No195の翼型を、第4実施例翼型という。また図17の型番NACA23012の翼型を、第1既存翼型といい、図18の型番NACA23008の翼型を、第2既存翼型といい、図19の型番AK100Dの翼型を、第3既存翼型という。   Hereinafter, for convenience, the airfoil of model number Case5-No50 in FIG. 13 is referred to as a first example airfoil, the airfoil of model number Case5-No178 in FIG. 14 is referred to as second example airfoil, and the model number in FIG. The airfoil of Case5-No142 is referred to as a third embodiment airfoil, and the airfoil of model number Case5-No195 in FIG. 16 is referred to as a fourth embodiment airfoil. In addition, the airfoil of model number NACA23012 in FIG. 17 is referred to as a first existing airfoil, the airfoil of model number NACA23008 in FIG. 18 is referred to as a second existing airfoil, and the airfoil of model number AK100D in FIG. It is called an airfoil.

表2は、図13の第1実施例翼型の座標データを示す。表3は、図13の第1実施例翼型の座標データを示す。表4は、図15の第3実施例翼型の座標データを示す。表5は、図16の第4実施例翼型の座標データを示す。表1〜表4において、XUは、上面を示す線UのX座標であり、YUは、上面を示す線UのY座標であり、XLは、下面を示す線LのX座標であり、YLは、下面を示す線LのY座標である。番号(No.)で関連付けられているXU,YUが、上面を規定する座標(XU,YU)であり、番号(No.)で関連付けられているXL,YLが、下面を規定する座標(XL,YL)である。番号(No.)1から100まで順に座標(XU,YU)の点を結ぶ線Uが上面を規定し、番号(No.)1から100まで順に座標(XL,YL)の点を結ぶ線Lが上面を規定する。   Table 2 shows the coordinate data of the first embodiment airfoil of FIG. Table 3 shows the coordinate data of the first embodiment airfoil of FIG. Table 4 shows the coordinate data of the third embodiment airfoil of FIG. Table 5 shows the coordinate data of the airfoil of the fourth embodiment shown in FIG. In Tables 1 to 4, XU is the X coordinate of the line U indicating the upper surface, YU is the Y coordinate of the line U indicating the upper surface, XL is the X coordinate of the line L indicating the lower surface, and YL Is the Y coordinate of the line L indicating the lower surface. XU and YU associated with the number (No.) are coordinates (XU, YU) that define the upper surface, and XL and YL associated with the number (No.) are the coordinates (XL) that define the lower surface. , YL). A line U connecting points of coordinates (XU, YU) in order from numbers (No.) 1 to 100 defines the upper surface, and a line L connecting points of coordinates (XL, YL) in order from numbers (No.) 1 to 100 Defines the top surface.

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表6は、第1〜第4実施例翼型および第1〜第3既存翼型の性能を示す。   Table 6 shows the performance of the first to fourth embodiment airfoils and the first to third existing airfoils.

Figure 0004825099
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第1〜第4実施例翼型は、前述の第1〜第6の目的関数に関して評価しながら最適化して得られたパレート解に含まれる翼型である。これら第1〜第4実施例翼型は、次のような特徴を有している。図13の第1実施例翼型は、ブレード11における翼根12寄りの部分に適した翼型であり、たとえば80%の翼長方向位置から翼根12までの部分の翼型として好適である。図14〜図16の第2〜第4実施例翼型は、ブレード11における翼端13付近の部分に適した翼型であり、たとえば80%の翼長方向位置から翼端13までの部分の翼型として好適である。   The first to fourth embodiment airfoils are airfoils included in the Pareto solution obtained by optimization while evaluating the first to sixth objective functions. These first to fourth embodiment airfoils have the following characteristics. The airfoil of the first embodiment shown in FIG. 13 is an airfoil suitable for a portion close to the blade root 12 in the blade 11, and is suitable, for example, as an airfoil of a portion from the position in the blade length direction of 80% to the blade root 12. . 14 to 16 are airfoils suitable for a portion of the blade 11 near the blade tip 13, for example, 80% of the blade length direction position to the blade tip 13. Suitable as an airfoil.

さらに図14の第2実施例翼型は、動特性による平均揚抗特性が最良かつ、零揚力モーメント係数の絶対値|Cm0|が、第1〜第3既存翼のいずれよりも小さく、速度300km/hでの水平飛行での効率が最良であるという性能を有している。図15の第3実施例翼型は、零揚力モーメント係数の絶対値|Cm0|がやや大きく劣るが、その他は、全ての項目で、既存翼型の中で最良翼型といわれる第3既存翼型を上回る、良好な性能を有している。図16の第4実施例翼型は、ピッチングモーメントの変動が最小であり、ねじり剛性との兼ねあいで、最小モーメント係数Cmminが運用上の制限となる場合には、この翼型が最良の翼型となり得る。 Further, the airfoil of the second embodiment shown in FIG. 14 has the best average lift / drag characteristics due to dynamic characteristics, the absolute value of the zero lift moment coefficient | C m0 | is smaller than any of the first to third existing blades, and the speed It has the performance that the efficiency in horizontal flight at 300 km / h is the best. The third embodiment airfoil of FIG. 15 is slightly inferior in absolute value of zero lift moment coefficient | C m0 |, but in all other items, the third existing airfoil is said to be the best aerofoil. It has better performance than the airfoil. The airfoil of the fourth embodiment shown in FIG. 16 has the smallest variation in pitching moment, and this airfoil is the best when the minimum moment coefficient C mmin is an operational limitation in consideration of the torsional rigidity. Can be an airfoil.

これら第1〜第4実施例翼型を含めて、本発明に従う設計方法で設計される翼型は、いずれも、比較的小さい前縁半径と比較的強い前縁ドループを持っている。これは、中速域(M=0.6付近)における最大揚力付近で発生する超音速領域と衝撃波を緩和するためには小前縁半径が適しており、それによって低下する低速の最大揚力を前縁ドループでカバーするのが有効だからである。上に凸のキャンバーである前縁ドループによるモーメントを打ち消すために、後半に下に凸のキャンバーを有している。また比較的薄翼で、高い性能を有している。   All of the airfoils designed by the design method according to the present invention including the first to fourth embodiment airfoils have a relatively small leading edge radius and a relatively strong leading edge droop. This is because the small leading edge radius is suitable for mitigating the supersonic region and shock wave generated near the maximum lift in the medium speed range (near M = 0.6), and the low speed maximum lift that is reduced by it. This is because it is effective to cover with the leading edge droop. In order to cancel out the moment caused by the leading edge droop, which is a camber that is convex upward, the camber is convex downward in the latter half. It is relatively thin and has high performance.

本発明に従う設計方法で、1回で、これらの翼型を含む多数の翼型を設計することができる。したがって様々な優れた性能を有する複数の翼型を設計することができ、これらの翼型から、ブレード11の部位毎に適した翼型を選ぶことができる。したがって1つのブレードであっても位置によって要求される性能が異なるヘリコプタ10のブレード11の翼型を1回で設計することができる。つまり翼根12付近に適した翼型から翼端13付近に適した翼型までを、1回で設計することができる。   With the design method according to the present invention, a large number of airfoils including these airfoils can be designed at one time. Therefore, a plurality of airfoils having various excellent performances can be designed, and from these airfoils, an airfoil suitable for each part of the blade 11 can be selected. Therefore, even if only one blade is used, the airfoil of the blade 11 of the helicopter 10 having different required performance depending on the position can be designed at one time. That is, it is possible to design from the airfoil suitable for the vicinity of the blade root 12 to the airfoil suitable for the vicinity of the blade tip 13 in one time.

図20は、本発明に従う設計方法で設計された翼型のパレート解を、マッハ数限界で整理して示すグラフである。図13〜図16の第1〜第4実施例翼型は、このパレート解に含まれている。図20には、「CL300」を「CL300」と記し、「Mlim@α」を「Mlim」と記している。この図20から明らかなように、マッハ数限界Mlim@αが小さいほど、低速指標揚力係数CL300=0.4および中速指標揚力係数CL300=0.6で示される揚力限界が大きく、翼根12寄りの部分に適した翼型である。この図20からもあきらかなように、翼根12付近に適した翼型から翼端13付近に適した翼型までを、1回で設計することができる。 FIG. 20 is a graph showing the airfoil Pareto solution designed by the design method according to the present invention, organized by the Mach number limit. The first to fourth embodiment airfoils of FIGS. 13 to 16 are included in this Pareto solution. In FIG. 20, “C L300 ” is described as “CL300”, and “M lim @ α 0 ” is described as “Mlim”. As apparent from FIG. 20, the smaller the Mach number limit Mlim @ alpha 0, lift represented by the low speed indicator lift coefficient C L300 @ M = 0.4 and medium speed indicator lift coefficient C L300 @ M = 0.6 The airfoil has a large limit and is suitable for the part closer to the blade root 12. As apparent from FIG. 20, it is possible to design from the airfoil suitable for the vicinity of the blade root 12 to the airfoil suitable for the vicinity of the blade tip 13 in one time.

図21は、図14の第2実施例翼型の動的解析によるモーメント特性を示すグラフである。図22は、図19の第3既存翼型の動的解析によるモーメント特性を示すグラフである。図21および図22には、横軸に、ブレードの回転によって変化する対気速度VTをマッハ数Mで示し、縦軸に、頭下げモーメントのモーメント係数を示す。縦軸の「Standard q base」は前述の周速基準動圧で無次元化した値を示し、「Local q base」は局所基準動圧で無次元化した値を示す。図21および図22の円で囲った領域を比較して明らかなように、第2実施例翼型は、高速側での頭下げモーメントが小さく、高速性能に優れた翼型であることが判る。 FIG. 21 is a graph showing moment characteristics by dynamic analysis of the airfoil of the second embodiment shown in FIG. FIG. 22 is a graph showing moment characteristics by dynamic analysis of the third existing airfoil of FIG. 21 and FIG. 22, the abscissa indicates the air speed VT that changes with the rotation of the blade in terms of Mach number M, and the ordinate indicates the moment coefficient of the head-down moment. "S tandard q base" on the ordinate represents the non-dimensional values in the above peripheral speed reference dynamic, "L ocal q base" indicates dimensionless value local reference dynamic pressure. As is clear from comparison between the circled regions of FIGS. 21 and 22, it can be seen that the airfoil of the second embodiment has a small head-lowering moment on the high speed side and is excellent in high speed performance. .

図23は、図14の第2実施例翼型の動的解析による抵抗特性を示すグラフである。図24は、図19の第3既存翼型の動的解析による抵抗特性を示すグラフである。図23および図24には、横軸に、ブレードの回転によって変化する対気速度Vをマッハ数Mで示し、縦軸に、抵抗係数Cを示す。図23および図24の円で囲った領域を比較して明らかなように、第2実施例翼型は、中速指標揚力係数CL300=0.6が大きく、M=0.6付近での抵抗を小さく抑えることができる、優れた翼型であることが判る。 FIG. 23 is a graph showing resistance characteristics by dynamic analysis of the airfoil of the second embodiment shown in FIG. FIG. 24 is a graph showing resistance characteristics by dynamic analysis of the third existing airfoil of FIG. 23 and 24, the horizontal axis indicates the airspeed V T which varies with the rotation of the blade Mach number M, the vertical axis shows the resistance coefficient C D. 23 and, as apparent from the comparison area circled in FIG. 24, the second embodiment airfoil, medium speed indicator lift coefficient C L300 @ M = 0.6 is large, M = 0.6 near It can be seen that this is an excellent airfoil that can keep the resistance at low.

以上の説明から明らかなように、本発明に従う設計方法では、ブレード11の翼型に要求される複数の性能が、目的関数としてそれぞれ表され、これら複数の目的関数で評価しながら、MOGAによって最適化され、翼型の最適パレート解が求められる。目的関数には、低速性能、中速性能、高速性能、最大翼およびピッチングモーメント性能が含まれ、これらの各性能が評価された翼型が設計される。これによって複数の性能に関して評価された翼型がいわば自動的に設計され、ヘリコプタ10のブレード11に適した翼型を設計することができる。しかもパレート解として得られる複数の翼型の中には、ブレード11の翼根12付近に適した翼型から翼端13付近に適した翼型まで、ブレード11の部位毎に適した複数の翼型が含まれている。したがってブレード11の翼根12から翼端13まで、部位毎に適した複数の翼型を、一度の設計演算によって設計することができ、設計効率を高くし、短時間かつ低コストで翼型を設計することができる。 As is clear from the above description, in the design method according to the present invention, a plurality of performances required for the airfoil of the blade 11 are represented as objective functions, respectively, and are optimized by MOGA while evaluating with the plurality of objective functions. The airfoil optimum Pareto solution is required. The objective function includes low speed performance, medium speed performance, high speed performance, maximum blade thickness and pitching moment performance, and an airfoil in which each of these performances is evaluated is designed. In this way, the airfoil evaluated with respect to a plurality of performances is automatically designed, so that the airfoil suitable for the blade 11 of the helicopter 10 can be designed. Moreover, among the plurality of airfoils obtained as a Pareto solution, a plurality of airfoils suitable for each part of the blade 11, from the airfoil suitable for the vicinity of the blade root 12 of the blade 11 to the airfoil suitable for the vicinity of the blade tip 13. The type is included. Therefore, it is possible to design a plurality of airfoils suitable for each part from the blade root 12 to the blade tip 13 of the blade 11 by a single design calculation, increasing the design efficiency, and reducing the airfoils in a short time and at a low cost. Can be designed.

また図1のステップs3として示すように、キャンバが修正されるので、ピッチングモーメント性能が向上された翼型を設計することができる。キャンバは、キャンバを定義するベジェ曲線を規定する点の位置をY軸方向に変化させて、修正される。   Also, as shown as step s3 in FIG. 1, since the camber is corrected, it is possible to design an airfoil with improved pitching moment performance. The camber is corrected by changing the position of a point defining a Bezier curve defining the camber in the Y-axis direction.

図25は、キャンバの修正方法を示す図である。図25には、4点ベジェ曲線でキャンバを定義する場合を例に挙げる。キャンバを修正するにあたって、図25(1),図25(2)のように、後縁の点44の位置を変更すると、前縁の点41を固定するとしても、残りの点42,43が設計点となる。図25のように、4点ベジェ曲線とする場合、2つの点42,43が設計点となる。これに対して、前縁および後縁の2つの点41,44を固定し、後縁から2つ目の点43の位置を変更して修正すると、設計点が1つの点42になり、設計点を減らすことができる。本実施の形態では、この後縁から2つめの点の位置を変更することによって、キャンバを修正し、設計点を少なくして、修正を容易にすることができる。   FIG. 25 is a diagram illustrating a camber correction method. FIG. 25 shows an example in which a camber is defined by a 4-point Bezier curve. When correcting the camber, as shown in FIGS. 25 (1) and 25 (2), if the position of the point 44 at the trailing edge is changed, the remaining points 42 and 43 are changed even if the point 41 at the leading edge is fixed. Design point. As shown in FIG. 25, when a 4-point Bezier curve is used, the two points 42 and 43 are design points. On the other hand, if the two points 41 and 44 on the leading edge and the trailing edge are fixed and the position of the second point 43 from the trailing edge is changed and corrected, the design point becomes one point 42 and the design point is changed. Can reduce points. In the present embodiment, by changing the position of the second point from the trailing edge, the camber can be corrected, design points can be reduced, and correction can be facilitated.

図26は、零揚力モーメント係数Cm0を0となるように調整した場合のパレート解を、マッハ数限界で整理して示すグラフである。図27は、零揚力モーメント係数Cm0を−0.02となるように調整した場合のパレート解を、マッハ数限界で整理して示すグラフである。図26,図27には、「CL300」を「CL300」と記し、「Mlim@α0」を「Mlim」と記している。これら図26,図27は、零揚力モーメント係数Cm0の調整の影響を示すためのグラフであり、図20に示したパレート解が得られた設計演算とは別に実行された設計演算で得られたパレート解を示す。図26,図27から明らかなように、零揚力モーメント係数Cm0が0になるようにキャンバを修正するよりも、零揚力モーメント係数Cm0が−0.02になるようにキャンバを修正する方が、低速指標揚力係数CL300=0.4および中速指標揚力係数CL300=0.6で示される揚力限界が大きい翼型が得られることが判る。つまりキャンバの修正は、零揚力モーメント係数Cm0が0ではなく、0付近かつ0り小さい値、たとえば−0.015程度になるように調整することによって、正のキャンバを有する翼型となり、零揚力モーメント係数Cm0以外の性能が良好な翼型を得ることができる。 FIG. 26 is a graph showing the Pareto solution when the zero lift moment coefficient C m0 is adjusted to 0, organized by the Mach number limit. FIG. 27 is a graph showing the Pareto solution when the zero lift moment coefficient C m0 is adjusted to be −0.02, organized by the Mach number limit. In FIG. 26 and FIG. 27, “C L300 ” is described as “CL300”, and “M lim @ α0” is described as “Mlim”. FIG. 26 and FIG. 27 are graphs for showing the influence of the adjustment of the zero lift moment coefficient C m0 , and are obtained by a design calculation executed separately from the design calculation obtained the Pareto solution shown in FIG. Pareto solution is shown. 26, as apparent from FIG. 27, zero than lift moment coefficient C m0 to modify the camber to be 0, who zero lift moment coefficient C m0 to modify the camber to be -0.02 but it is understood that the airfoil lift limit represented by low speed indicators lift coefficient C L300 @ M = 0.4 and medium speed indicator lift coefficient C L300 @ M = 0.6 is large is obtained. That modification of the camber is zero lift moment coefficient C m0 is not 0, 0 around and 0 yo Ri small value, for example, by adjusting so as to about -0.015, becomes airfoil having a positive camber, An airfoil having good performance other than the zero lift moment coefficient C m0 can be obtained.

また前述のように本実施の形態の設計方法で設計される翼型は、ヘリコプタ10のブレードの翼型として好適な翼型である。この翼型を有するブレード11は、高速性、経済性、快適性の高いブレードである。このように高性能のブレード11を実現することができる。   In addition, as described above, the airfoil designed by the design method of the present embodiment is a suitable airfoil for the helicopter 10 blade. The blade 11 having this airfoil is a blade having high speed, economy, and high comfort. In this way, a high-performance blade 11 can be realized.

前述の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の構成を変更することができる。たとえば目的関数は、前述の第1〜第6の目的関数とは異なってもよいし、また第1〜第6の目的関数全てについて評価する必要はなく、いずれかを選択して用いてもよい。また最適化アルゴリズムは、MOGAに限定されるものではなく、他の多目的最適化アルゴリズムであってもよい。   The above-described embodiment is merely an example of the present invention, and the configuration of the present invention can be changed. For example, the objective function may be different from the first to sixth objective functions described above, and it is not necessary to evaluate all the first to sixth objective functions, and any one may be selected and used. . The optimization algorithm is not limited to MOGA, and may be another multi-objective optimization algorithm.

本発明の実施の一形態のブレード翼型設計方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the blade airfoil design method of one Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram which shows the design apparatus 20 which performs the design method of FIG. ヘリコプタ10の前進飛行時におけるロータブレード11の対気速度分布を示す平面図である。3 is a plan view showing an airspeed distribution of the rotor blade 11 when the helicopter 10 is flying forward. FIG. ブレード3の迎角分布を示すグラフである。3 is a graph showing the angle of attack distribution of a blade 3. 解析に用いる格子30を示す図である。It is a figure which shows the grating | lattice 30 used for an analysis. ブレード11における位置毎のマッハ数Mと揚力係数Cとの関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between Mach number M and the lift coefficient C L of each position in the blade 11. 既存の翼型のマッハ数Mと揚力係数Cとの関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between Mach number M and the lift coefficient C L of the existing airfoil. 翼型の定義の仕方を示すグラフである。It is a graph which shows how to define an airfoil. キャンバを示すグラフである。It is a graph which shows a camber. 翼厚分布を示すグラフである。It is a graph which shows blade | wing thickness distribution. マッハ数限界Mlim@αの一例を示すグラフである。It is a graph showing an example of a Mach number limit M lim @ α 0. パレート解のイメージを示すグラフである。It is a graph which shows the image of a Pareto solution. 本発明に従う設計方法で設計された翼型の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the airfoil designed by the design method according to the present invention. 本発明に従う設計方法で設計された翼型の他の例を示すグラフである。It is a graph which shows the other example of the airfoil designed with the design method according to this invention. 本発明に従う設計方法で設計された翼型のさらに他の例を示すグラフである。It is a graph which shows the further another example of the airfoil designed with the design method according to this invention. 本発明に従う設計方法で設計された翼型のさらに他の例を示すグラフである。It is a graph which shows the further another example of the airfoil designed with the design method according to this invention. 既存の翼型の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the existing airfoil. 既存の翼型の他の例を示すグラフである。It is a graph which shows the other example of the existing airfoil. 既存の翼型のさらに他の例を示すグラフである。It is a graph which shows the other example of the existing airfoil. 本発明に従う設計方法で設計された翼型のパレート解を、マッハ数限界で整理して示すグラフである。It is a graph which shows the Pareto solution of the airfoil designed by the design method according to the present invention, arranged by the Mach number limit.

図14の第2実施例翼型の動的解析によるモーメント特性を示すグラフである。It is a graph which shows the moment characteristic by the dynamic analysis of 2nd Example airfoil of FIG. 図19の第3既存翼型の動的解析によるモーメント特性を示すグラフである。It is a graph which shows the moment characteristic by the dynamic analysis of the 3rd existing airfoil of FIG. 図14の第2実施例翼型の動的解析による抵抗特性を示すグラフである。It is a graph which shows the resistance characteristic by the dynamic analysis of the 2nd Example airfoil of FIG. 図19の第3既存翼型の動的解析による抵抗特性を示すグラフである。It is a graph which shows the resistance characteristic by the dynamic analysis of the 3rd existing airfoil of FIG. キャンバの修正方法を示す図である。It is a figure which shows the correction method of a camber. 零揚力モーメント係数Cm0を0となるように調整した場合のパレート解を、マッハ数限界で整理して示すグラフである。It is a graph which shows the Pareto solution at the time of adjusting so that the zero lift moment coefficient Cm0 may be set to 0, arranged by the Mach number limit. 零揚力モーメント係数Cm0を−0.02となるように調整した場合のパレート解を、マッハ数限界で整理して示すグラフである。It is a graph which shows the Pareto solution at the time of adjusting zero lift moment coefficient Cm0 so that it may become -0.02, arranged in a Mach number limit.

符号の説明Explanation of symbols

10 ヘリコプタ
11 ブレード
12 翼根
13 翼端
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 SYMBOLS 10 Helicopter 11 Blade 12 Blade root 13 Blade tip 20 Design apparatus 21 Input means 22 Storage means 23 External recording means 24 Calculation means 25 Output means

Claims (4)

翼型を定義するパラメータの情報を入力するための入力手段と、翼型の評価および設計のための演算を実行する演算手段とを備える設計装置において、翼型を表すパラメータを設計変数とし、ロータブレードの翼型に要求される性能を表す複数の目的関数に関して設計変数を評価しながら最適化してパレート解を求める多目的最適化アルゴリズムによってヘリコプタのロータブレードの翼型を設計する方法であって、
入力手段によって入力された翼型を定義するパラメータの初期値を表す情報を用いて、演算手段が、翼厚、キャンバ、翼弦長および前縁半径を含む翼型パラメータを設定する初期設定ステップと、
前記初期設定ステップの後に、演算手段が、設定された翼型パラメータによって翼型を定義する翼型定義ステップと、
前記翼型定義ステップの後に、演算手段が、定義された翼型に対して、複数の目的関数に関して静的解析によって評価を行う評価解析ステップと、
前記評価解析ステップの後に、演算手段が、評価解析ステップにおける翼型の評価結果に基づいてパレート解を求め、パレート解が成熟しているか否かを判定する判定ステップとを含み、
前記複数の目的関数は、低速性能および中速性能を含み、
前記評価解析ステップにおいて、演算手段は、予め定める低速域における所定の値をロータブレードの対気速度として、零揚力迎角から迎角を徐々に増加させることにより抵抗係数が0.03となる迎角での揚力係数を算出し、算出された揚力係数を用いて低速性能を評価し、さらに、予め定める中速域における所定の値をロータブレードの対気速度として、零揚力迎角から迎角を徐々に増加させることにより抵抗係数が0.03となる迎角での揚力係数を算出し、算出された揚力係数を用いて中速性能を評価することを特徴とする設計装置におけるブレード翼型設計方法。
In a design apparatus comprising input means for inputting information on parameters defining an airfoil and arithmetic means for executing operations for airfoil evaluation and design, a parameter representing the airfoil is used as a design variable, and the rotor A method of designing a helicopter rotor blade airfoil by a multi-objective optimization algorithm that obtains a Pareto solution by evaluating design variables with respect to a plurality of objective functions representing performance required for the blade airfoil,
An initial setting step in which the calculation means sets airfoil parameters including a blade thickness, a camber, a chord length, and a leading edge radius, using information representing initial values of parameters defining the airfoil input by the input means ; ,
After the initial setting step, the calculation means defines an airfoil according to the set airfoil parameters, and an airfoil definition step,
After the airfoil definition step, an evaluation analysis step in which the computing means evaluates the defined airfoil by a static analysis with respect to a plurality of objective functions;
After the evaluation and analysis step, calculating means obtains a Pareto solution based on the evaluation result of the airfoil in the evaluation analysis step, seen including a determination step of determining whether or not Pareto solutions is mature,
The plurality of objective functions includes low speed performance and medium speed performance,
In the evaluation analysis step, the calculation means uses a predetermined value in a predetermined low speed range as an airspeed of the rotor blade, and gradually increases the angle of attack from the zero lift angle of attack, thereby increasing the resistance coefficient to 0.03. Calculate the lift coefficient at the angle, evaluate the low-speed performance using the calculated lift coefficient, and further use the predetermined value in the predetermined medium speed range as the airspeed of the rotor blade, from the zero lift angle of attack to the angle of attack The blade airfoil in a design apparatus is characterized in that a lift coefficient at an angle of attack with a resistance coefficient of 0.03 is calculated by gradually increasing the lift coefficient, and medium speed performance is evaluated using the calculated lift coefficient Design method.
前記複数の目的関数は、高速性能をさらに含み、
前記評価解析ステップにおいて、演算手段は、迎角を零揚力迎角に固定し、予め定める値からマッハ数を徐々に変化させることにより抵抗係数が0.03となるマッハ数を算出するとともに、マッハ数を徐々に変化させることによって、予め定めるマッハ数でのピッチングモーメント係数からのピッチングモーメント係数の変動量の絶対値が0.02となるマッハ数を算出し、算出された2つのマッハ数のうちの小さい方によって表されるマッハ数限界を用いて高速性能を評価することを特徴とする請求項に記載の設計装置におけるブレード翼型設計方法。
The plurality of objective functions further includes high speed performance;
In the evaluation analysis step, the calculation means fixes the angle of attack to a zero lift angle of attack, calculates the Mach number at which the resistance coefficient is 0.03 by gradually changing the Mach number from a predetermined value, and calculates the Mach number. By gradually changing the number, a Mach number at which the absolute value of the variation amount of the pitching moment coefficient from the pitching moment coefficient at a predetermined Mach number becomes 0.02 is calculated. Of the two calculated Mach numbers The blade airfoil design method for a design apparatus according to claim 1 , wherein high-speed performance is evaluated using a Mach number limit expressed by a smaller one of the two .
前記多目的最適化アルゴリズムは、多目的遺伝的アルゴリズムであることを特徴とする請求項1または2に記載の設計装置におけるブレード翼型設計方法。 3. The blade airfoil design method according to claim 1, wherein the multi-objective optimization algorithm is a multi-objective genetic algorithm. 静的解析で設計変数を評価して求められるパレート解について、演算手段が、動的解析によって評価するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載の設計装置におけるブレード翼型設計方法。 The design apparatus according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a step in which a computing unit evaluates the Pareto solution obtained by evaluating the design variable by static analysis by dynamic analysis. blade airfoil design method in.
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